DE69333129T2 - Winkelgeschwindigkeitssensor - Google Patents

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DE69333129T2 DE1993633129 DE69333129T DE69333129T2 DE 69333129 T2 DE69333129 T2 DE 69333129T2 DE 1993633129 DE1993633129 DE 1993633129 DE 69333129 T DE69333129 T DE 69333129T DE 69333129 T2 DE69333129 T2 DE 69333129T2
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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Technischer Hintergrund
  • In der Kraftfahrzeugindustrie, der Maschinenbauindustrie und dergleichen ist ein zunehmender Bedarf an Sensoren oder Fühlern entstanden, die in der Lage sind, präzise eine Beschleunigung oder eine Winkelgeschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts (Körpers) zu erfassen. Im Allgemeinen unterliegt ein Objekt, das eine freie Bewegung in einem dreidimensionalen Raum ausführt, einer Beschleunigung in einer beliebigen Richtung und einer Winkelgeschwindigkeit in einer beliebigen Drehrichtung. Um die Bewegung dieses Objekts präzise zu erfassen, ist es also notwendig, unabhängig Beschleunigungskomponenten in jeder einzelnen Koordinatenachsenrichtung und Winkelgeschwindigkeitskomponenten um jede einzelne Koordinatenachse in einem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem zu erfassen.
  • Bislang wurden unterschiedliche Typen von Beschleunigungssensoren vorgeschlagen. Beispielsweise ist in der offengelegten internationalen Anmeldung WO 88/08522, basierend auf dem PCT-Vertrag (US-Patent Nr. 4967605/US-Patent Nr. 5 182 515) ein Beschleunigungssensor offenbart, in welchem auf einem Halbleitersubstrat ausgebildete Widerstandselemente dazu dienen, einwirkende Beschleunigungskomponenten in jeder Koordinatenachsenrichtung zu erfassen. Außerdem ist in der PCT-Offenlegungsschrift WO 91/10118 (US- Patentanmeldung 07/761771) ein mehraxialer Beschleunigungssensor mit Eigendiagnosefunktion offenbart. In der PCT-Offenlegungsschrift WO 92/17759 (US-Patentanmeldung 07/952753) ist ein Beschleunigungssensor offenbart, in welchem elektrostatische Kapazitätselemente oder piezoelektrische Elemente dazu dienen, einwirkende Beschleunigungskomponenten in jeder Koordinatenachsenrichtung zu erfassen. Außerdem ist in der japanischen Patentanmeldung 274299/1990 (Tokuganhei 2-274299) und in der japanischen Patentanmeldung Nr. 416188/1990 (Tokuganhei 2-416188) (US-Patentanmeldung 07/764159) ein mehraxialer Beschleunigungssensor ähnlichen den oben angesprochenen Sensoren offenbart. In der japanischen Patentanmeldungsschrift 306587/1991 (Tokuganhei 3-306587) (US-Patentanmeldung 07/960545) eine neue Elektrodenanordnung in einem ähnlichen mehraxialen Beschleunigungssensor offenbart. Darüber hinaus ist in der internationalen Anmeldung PCT/JP92/00882, die auf dem Patentzusammenarbeitsvertrag basiert, ein mehraxialer Beschleunigungssensor unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements eines weiteren Typs offenbart. Die Besonderheit dieser Beschleunigungssensoren liegt darin, dass mehrere Widerstandselemente, elektrostatische Kapazitätselemente oder piezoelektrische Elemente an vorbestimmten Stellen eines Flexibilität aufweisenden Substrats angeordnet sind, um einwirkende Beschleunigungskomponenten anhand von Änderungen der Widerstandswerte der Widerstandselemente, anhand von Änderungen der Kapazitätswerte der elektrostatischen Kapazitätselemente oder anhand von Spannungsänderungen, die in den piezoelektrischen Elementen erzeugt werden, zu erfassen. An dem Flexibilität aufweisenden Substrat ist ein Gewichtskörper befestigt. Wenn eine Beschleunigung einwirkt, wird auf den Gewichtskörper eine Kraft ausgeübt, und das flexible Substrat erleidet eine Durchbiegung. Durch Messen dieser Biegung anhand der oben beschriebenen Änderungen der Widerstandswerte, der Kapazitätswerte oder der erzeugten Ladungen ist es möglich, Beschleunigungskomponenten in den jeweiligen axialen Richtungen festzustellen.
  • Im Gegensatz dazu konnte der Erfinder des vorliegenden Gegenstands keine Literatur auffinden, die sich auf einen mehrdimensionalen Winkelgeschwindigkeitssensor bezieht. Üblicherweise werden Winkelgeschwindigkeitssensoren zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit einer Antriebswelle etc. eines Fahrzeugs verwendet, ihre einzige Funktion besteht im Nachweis einer Winkelgeschwindigkeit bezüglich einer spezifischen einzelnen Achse. Im Fall des Messens einer Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle reicht es aus, von einem eindimensionalen Winkelgeschwindigkeitssensor Gebrauch zu machen. Um allerdings Winkelgeschwindigkeit bezüglich eines Objekts zu messen, welches eine freie Bewegung im dreidimensionalen Raum ausführt, muss man unabhängig voneinander Winkelgeschwindigkeitskomponenten bezüglich der X-, der Y- und der Z-Achse des dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystems messen. Um Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die X-, Y- und die Z-Achse unter Verwendung von eindimensionalen herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensoren zu messen, muss man drei Sätze von Winkelgeschwindigkeitssensoren erstellen und sie in spezifischen Richtungen anbringen, so dass das Messen der Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die jeweiligen Achsen möglich ist. Aus diesem Grund ist der gesamte Aufbau des Sensors kompliziert, die Kosten werden hoch.
  • Gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die US-A-4 598 585 einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit zwei Substraten, einem inneren und einem äußeren Substrat. Das innere Substrat ist eine quadratische Platte, an der Elektroden angebracht sind. Diese Elektroden haben die Funktion, die Verlagerung des Substrats festzustellen. Das andere Substrat bildet einen das innere Substrat umgebenden Rahmen und trägt als Anregungseinrichtung fungierende Elektroden. Da das innere Substrat mit dem äußeren Substrat an Brückenbereichen entlang einer X-Achse verbunden ist und das äußere Substrat an einem Halterungs-Flachstück an Brückenbereichen entlang einer Y-Achse ver bunden ist, ist die Schnittansicht der Substrate in Richtung der X-Achse verschieden von der Schnittansicht entlang der Y-Achse.
  • Die EP-A-0 527 394 zeigt einen oszillierenden Winkelgeschwindigkeitssensor, bei dem die Schwingung des Oszillators mit Hilfe piezoelektrischer Elemente induziert wird.
  • Die EP-A-0 084 704 zeigt einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem Oszillator, der eine Masse aus magnetischem Material besitzt. Der Oszillator wird mittels Spulen angetrieben, die elektrischen Strom führen. Jede Verlagerung der Oszillatormasse aufgrund einer Drehkomponente wird mit Hilfe eines elektromagnetischen Sensors nachgewiesen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Winkelgeschwindigkeitssensors mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau, der in der Lage ist, eine Winkelgeschwindigkeitskomponente um die Z-Achse in einem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem zu erfassen.
  • Erreicht wird dies durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Wenn eine Winkelgeschwindigkeit ω bezüglich einer ersten Koordinatenachse auf einen Oszillator ausgeübt wird, der sich in einem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem befindet, und wenn dieser Oszillator in Richtung einer zweiten Koordinatenachse schwingt, so wird in Richtung einer dritten Koordinatenachse eine Coriolis-Kraft proportional zum Betrag der Winkelgeschwindigkeit ω erzeugt. Um die Winkelgeschwindigkeit ω mit Hilfe dieses Prinzips zu messen, sind eine Einrichtung zum Anregen eines Oszillators, damit dieser in einer vorbestimmten Koordinatenachsenrichtung schwingt und eine Einrichtung zum Erfassen der Verlagerung in einer vorbestimmten Koordinatenachsenrichtung, hervorgerufen in dem Oszillator durch Wirkung der Coriolis-Kraft, erforderlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die das Grundprinzip eines eindimensionalen Winkelgeschwindigkeitssensors unter Ausnutzung der Coriolis-Kraft gemäß Stand der Technik darstellt,
  • 2 ist eine Ansicht von Winkelgeschwindigkeitskomponenten bezüglich deren jeweiliger Achsen in einem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem, wobei durch die vorliegende Erfindung die Komponente ωz gemessen wird,
  • 3 ist eine Ansicht zum Erläutern des Grundprinzips zum Messen einer Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx bezüglich der X-Achse,
  • 4 ist eine Ansicht zum Erläutern des Grundprinzips zum Messen einer Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy bezüglich der Y-Achse,
  • 5 ist eine Ansicht zum Erläutern des Grundprinzips zum Messen einer Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz bezüglich der Z-Achse,
  • 6 ist eine seitliche Schnittansicht, die den Aufbau eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
  • 7 ist eine Draufsicht auf das flexible Substrat 110 des in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 8 ist eine Bodenansicht des fixierten Substrats 120 des in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 9 ist eine seitliche Schnittansicht, die den Zustand zeigt, in welchem der Oszillator 130 innerhalb des in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors veranlasst wird, eine Verlagerung in X-Achsenrichtung auszuführen,
  • 10 ist eine seitliche Schnittansicht, die den Zustand zeigt, in welchem der Oszillator 130 innerhalb des in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors veranlasst wird, eine Verlagerung in -X-Achsenrichtung auszuführen,
  • 11 ist eine seitliche Schnittansicht, die ein Beispiel eines Zustands zeigt, bei dem der Oszillator 130 in dem in 6 gezeigten Geschwindigkeitssensor dazu gebracht wird, eine Verlagerung in Richtung der Z-Achse auszuführen, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 12 ist eine Ansicht eines Spannungsverlaufs, der dem Oszillator 130 ermöglicht, eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse in dem in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor auszuführen,
  • 13 ist eine Ansicht einer Spannungswellenform, die dem Oszillator 130 zugeführt wird, damit dieser eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse in dem in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor ausführt,
  • 14 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Spannungswellenform zeigt, die dem Oszillator 130 ermöglicht, eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse in dem in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor auszuführen, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt wird,
  • 15 ist eine seitliche Schnittansicht, die ein Beispiel des Phänomens veranschaulicht, gemäß dem eine Coriolis-Kraft Fy durch die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx erzeugt wird, wenn der Oszillator 130 dazu gebracht wird, eine Schwingung Uz in dem in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor auszuführen, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 16 ist eine seitliche Schnittansicht, die ein Beispiel des Phänomens veranschaulicht, gemäß dem eine Coriolis-Kraft Fy durch die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy erzeugt wird, wenn der Oszillator 130 dazu gebracht wird, eine Schwingung Uy in dem in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor auszuführen, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 17 ist eine seitliche Schnittansicht, die ein Beispiel des Phänomens veranschaulicht, gemäß dem eine Coriolis-Kraft Fy durch die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz erzeugt wird, wenn der Oszillator 130 dazu gebracht wird, eine Schwingung Uy in dem in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor auszuführen, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 18 ist ein Schaltungsdiagramm, welches ein Beispiel einer Schaltung zum Nachweisen einer Änderung eines Kapazitätswerts eines elektrostatischen Kapazitätselements C veranschaulicht,
  • 19 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise der in 18 gezeigten Schaltung,
  • 20 ist ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels einer Schaltung zum Nachweisen von Änderungen von Kapazitätswerten eines Paares elektrostatischer Kapazitätselemente C1, C2,
  • 21 ist ein Impulsdiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise der Schaltung nach 20,
  • 22 ist eine seitliche Schnittansicht zum Erläutern des Prinzips einer ersten Modifikation des in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 23 ist eine weitere seitliche Schnittansicht zum Erläutern des Prinzips der ersten Modifikation des in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 24 ist eine weitere seitliche Schnittansicht zum Erläutern des Prinzips eines Beispiels der ersten Modifikation des in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 25 ist eine seitliche Schnittansicht, die einen eher praktischen Aufbau der ersten Modifikation des in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors veranschaulicht,
  • 26 ist ein Beispiel für ein Verfahren zum Anlegen einer Spannung an Elektroden des in 25 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 27 ist eine seitliche Schnittansicht eines eher praktischen Aufbaus einer zweiten Modifikation des in 6 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 28 ist eine seitliche Schnittansicht des Aufbaus eines mehraxialen Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer Ausführungsform, die nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 29 ist eine Draufsicht auf ein flexibles Substrat 210 des in 28 dargestellten mehraxialen Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 30 ist eine seitliche Schnittansicht, die einen seitlichen Schnitt an einer anderen Stelle des mehraxialen Winkelgeschwindigkeitssensors nach 28 darstellt,
  • 31 ist eine Bodenansicht eines fixierten Substrats 230 des in 28 dargestellten mehraxialen Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 32 ist eine seitliche Schnittansicht einer ersten Modifikation des in 28 gezeigten mehraxialen Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 33 ist eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Modifikation des in 28 dargestellten mehraxialen Winkelgeschwindigkeitssensors, wobei diese zweite Modifikation ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,
  • 34 ist eine Draufsicht auf ein flexibles Substrat 250 des in 33 gezeigten mehraxialen Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 35 ist eine seitliche Schnittansicht, die den Aufbau eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt (die zweite Ausführungsform nach 26 ist keine Ausführungsform der Erfindung),
  • 36 ist eine Draufsicht auf ein flexibles Substrat 310 des in 35 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 37 ist eine Ansicht der Anordnung von Widerstandselementen R gemäß 36,
  • 38 ist eine seitliche Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, in welchem eine Coriolis-Kraft Fx auf den in 35 gezeigten Winkelgeschwindigkeitsfühler ausgeübt wird,
  • 39 ist eine Schaltungsskizze eines Beispiels einer Schaltung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse, ausgeübt auf den in 35 dargestellten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 40 ist eine Schaltungsskizze eines Beispiels einer Schaltung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse, ausgeübt auf den in 35 dargestellten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 41 ist eine Schaltungsskizze eines Beispiels einer Schaltung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse, ausgeübt auf den in 35 dargestellten Winkelgeschwindigkeitssensors, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 42 ist eine seitliche Schnittansicht, die den Aufbau eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
  • 43(a) und 43(b) sind Ansichten, die ein Polarisationsverhalten eines in dem in 42 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor verwendeten piezoelektrischen Elements veranschaulichen,
  • 44 ist eine seitliche Schnittansicht eines Zustands, in welchem der in 42 gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor dazu gebracht wird, eine Verlagerung in Richtung der X-Achse auszuführen,
  • 45 ist eine seitliche Schnittansicht, die ein Beispiel eines Zustands zeigt, in welchem der in 41 gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor dazu gebracht wird, eine Verlagerung in Richtung der Z-Achse auszuführen, wobei dieses Beispiel nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 46 ist ein Verdrahtungsdiagramm eines Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse, die auf den in 42 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor ausgeübt wird,
  • 47 ist ein Verdrahtungsdiagramm eines Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse, die auf den in 42 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor ausgeübt wird,
  • 48 ist ein Verdrahtungsdiagramm, welches ein Beispiel einer Verdrahtung zum Erfassen von Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse zeigt, die auf den in 42 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor ausgeübt wird, wobei dieses Beispiel nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 49(a) und 49(b) sind Ansichten eines Polarisationsverhaltens entgegengesetzt dem Polarisationsverhalten nach den 43(a) und 43(b),
  • 50 ist eine Draufsicht auf eine Verteilung des Polarisationsverhaltens eines piezoelektrischen Elements, welches in der ersten Modifikation des in 42 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors eingesetzt wird,
  • 51 ist ein Verdrahtungsdiagramm, welches eine Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse darstellt, ausgeübt auf den Winkelgeschwindigkeitssensor mit in 50 gezeigten piezoelektrischen Elementen,
  • 52 ist ein Verdrahtungsdiagramm, welches eine Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse darstellt, ausgeübt auf den Winkelgeschwindigkeitssensor mit in 50 gezeigten piezoelektrischen Elementen,
  • 53 ist ein Verdrahtungsdiagramm, welches ein Beispiel einer Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse darstellt, ausgeübt auf den Winkelgeschwindigkeitssensor mit piezoelektrischen Elementen gemäß 50, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 54 ist eine seitliche Schnittansicht eines Aufbaus einer zweiten Modifikation des in 42 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors, wobei diese Modifikation nicht durch die Ansprüche abgedeckt ist,
  • 55 ist eine seitliche Schnittansicht eines Aufbaus einer dritten Modifikation des Winkelgeschwindigkeitssensors nach 42, wobei diese Modifikation nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 56 ist eine seitliche Schnittansicht eines Aufbaus einer vierten Modifikation des in 42 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors, wobei diese Modifikation ebenfalls durch die Ansprüche nicht abgedeckt ist,
  • 57 ist eine Draufsicht auf den Aufbau eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung,
  • 58 ist eine seitliche Schnittansicht des Aufbaus des in 57 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors,
  • 59 ist eine Draufsicht auf eine Anordnung von lokalisierten Elementen, die in dem Winkelgeschwindigkeitssensor nach 57 definiert sind,
  • 60(a) und 60(b) sind Ansichten eines Polarisationsverhaltens eines piezoelektrischen Elements, das in dem in 57 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor verwendet wird,
  • 61 ist eine seitliche Schnittansicht eines Zustands, in welchem der Winkelgeschwindigkeitssensor nach 57 dazu gebracht wird, eine Verlagerung in Richtung der X-Achse auszuführen,
  • 62 ist eine seitliche Schnittansicht eines Beispiels eines Zustands, bei dem der Winkelgeschwindigkeitssensor nach 57 dazu gebracht wird, eine Verlagerung in Richtung der Z-Achse auszuführen, wobei dieses Beispiel nicht vom Schutzumfang der Ansprüche umfasst ist,
  • 63 ist ein Verdrahtungsdiagramm einer Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse, ausgeübt auf den in 57 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor,
  • 64 ist ein Verdrahtungsdiagramm einer Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse, ausgeübt auf den in 57 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor,
  • 65 ist ein Verdrahtungsdiagramm eines Beispiels einer Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse, ausgeübt auf den in 57 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 66(a) und 66(b) sind Ansichten eines Polarisationszustands entgegen demjenigen nach 60,
  • 67 ist eine Draufsicht auf eine Verteilung des Polarisationsverhaltens eines piezoelektrischen Elements, das bei der ersten Modifikation des in 57 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors verwendet wird,
  • 68 ist eine seitliche Schnittansicht eines Zustands, in welchem Coriolis-Kraft in Richtung der X-Achse auf den in 67 dargestellten Winkelgeschwindigkeitsfühler unter Verwendung des piezoelektrischen Elements ausgeübt wird,
  • 69 ist eine seitliche Schnittansicht eines Beispiels eines Zustands, in welchem Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse auf den Winkelgeschwindigkeitssensor unter Verwendung des piezoelektrischen Elements nach 67 ausgeübt wird,
  • 70 ist eine seitliche Schnittansicht eines Zustands, in welchem Coriolis-Kraft in Richtung der X-Achse auf den in 67 dargestellten Winkelgeschwindigkeitsfühler unter Verwendung des piezoelektrischen Elements ausgeübt wird,
  • 71 ist ein Verdrahtungsdiagramm einer Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse, ausgeübt auf den Winkelgeschwindigkeitssensor unter Verwendung des piezoelektrischen Elements nach 67,
  • 72 ist ein Verdrahtungsdiagramm eines Beispiels einer Verdrahtung zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse, ausgeübt auf den Winkelgeschwindigkeitssensor unter Verwendung des piezoelektrischen Elements nach 67, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 73 ist eine seitliche Schnittansicht eines Beispiels eines Aufbaus einer zweiten Modifikation des Winkelgeschwindigkeitssensors nach 57, wobei dieses Beispiel nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 74 ist eine seitliche Schnittansicht eines Beispiels eines Aufbaus einer dritten Modifikation des Winkelgeschwindigkeitssensors nach 57, wobei dieses Beispiel nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 75 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Grundprinzip eines mehrachsigen Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt, die nicht durch die Ansprüche abgedeckt ist,
  • 76 ist eine seitliche Schnittansicht, die eine eher praktische Struktur des mehrachsigen Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der sechsten Ausführungsform darstellt,
  • 77 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für eine Prozedur eines Messvorgangs in dem Winkelgeschwindigkeitssensor, wobei dieses Beispiel nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist,
  • 78 ist eine Ansicht eines aktuellen Beispiels eines Schaltungsaufbaus zum Durchführen des Messvorgangs in dem erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensor,
  • 79 ist eine Ansicht zum Erläutern eines weiteren Grundprinzips zum Messen der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx bezüglich der X-Achse,
  • 80 ist eine Ansicht zum Erläutern eines weiteren Grundprinzips zum Messen der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy bezüglich der Y-Achse, und
  • 81 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Grundprinzips beim Messen einer Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz bezüglich der Z-Achse gemäß der Erfindung.
  • Bester Weg zum Ausführen der Erfindung
  • §0 Grundprinzip
  • <0.1> Uniaxialer Winkelgeschwindigkeitssensor
  • Zunächst soll kurz das Nachweis- oder Messprinzip für eine Winkelgeschwindigkeit mit Hilfe eines uniaxialen Winkelgeschwindigkeitssensors erläutert werden, der die Grundlage für einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der Erfindung darstellt. 1 ist eine Ansicht, die das Grundprinzip eines Winkelgeschwindigkeitssensors veranschaulicht, wie es offenbart ist in dem Magazin "THE INVENTION", zusammengestellt unter der Aufsicht des Japanischen Patentamts, Vol. 90, Nr. 3 (1993), Seite 60. Ein Oszillator oder Schwinger 10 wird in Form einer quadratischen Säule hergestellt, und es soll nun ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem betrachtet werden, in welchem die X-, die Y- und die Z-Achse in den dargestellten Richtungen definiert sind. Wenn in einem solchen System der Oszillator 10 eine Drehbewegung bei einer Winkelgeschwindigkeit ω mit der Z-Achse als Drehachse ausführt, so stellt sich be kanntlich das im Folgenden erläuterte Phänomen ein: Wird der Schwinger 10 dazu gebracht, eine Schwingung U auszuführen, bei der er sich in Richtung der X-Achse hin- und herbewegt, so entsteht eine Coriolis-Kraft F in Richtung der Y-Achse. In anderen Worten: Wenn der Schwinger 10 mit der Z-Achse als Mittelachse in einem Zustand gedreht wird, in welchem er entlang der X-Achse in der Figur schwingt, wird eine Coriolis-Kraft F in Richtung der Y-Achse erzeugt. Dieses Phänomen ist das dynamische Phänomen, welches seit Langem in Form des Foucaultschen Pendels bekannt ist. Eine Coriolis-Kraft F wird folgendermaßen ausgedrückt: F = 2m·v·ω
  • In dem obigen Ausdruck bedeutet m eine Masse des Schwingers 10, v eine Augenblicksgeschwindigkeit bezüglich der Schwingung des Schwingers 10, und ω die momentane Winkelgeschwindigkeit des Schwingers 10.
  • Der in dem oben angegebenen Magazin offenbarte uniaxiale Winkelgeschwindigkeitssensor dient zum Nachweisen einer Winkelgeschwindigkeit ω unter Nutzung des oben erläuterten Phänomens. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein erstes piezoelektrisches Element 11 an einer ersten Fläche des die Form einer quadratischen Säule aufweisenden Schwingers 10 befestigt, und ein zweites piezoelektrisches Element 12 ist an einer zweiten, zu der ersten Fläche rechtwinkligen Fläche befestigt. Als piezoelektrische Elemente 11 und 12 wird jeweils ein Element in Form einer Platte aus einer piezoelektrischen Keramik verwendet. Damit der Schwinger 10 die Schwingung U ausführen kann, wird das piezoelektrische Element 11 benutzt. Um die entstehende Coriolis-Kraft zu messen, wird das piezoelektrische Element 12 verwendet. Wird nämlich eine Wechselspannung an das piezoelektrische Element 11 angelegt, so führt dieses Element 11 wiederholt expandierende und kontrahierende Bewegungen aus und schwingt in Richtung der X-Achse. Diese Schwingung U überträgt sich auf den Schwinger 10, so dass er in Richtung der X-Achse schwingt. Wenn, wie oben angegeben, der Oszillator 10 selbst sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um die Z-Achse als Mittelachse in einem Zustand dreht, in welchem der Schwinger 10 die Schwingung U ausführt, entsteht eine Coriolis-Kraft F aufgrund des oben erläuterten Problems in Richtung der Y-Achse. Da diese Coriolis-Kraft F in Dickenrichtung des piezoelektrischen Elements 12 ausgeübt wird, wird an dessen beiden Oberflächen eine Spannung V erzeugt, die proportional zu der Coriolis-Kraft F ist. Durch Messen dieser Spannung V kann man also die Winkelgeschwindigkeit ω messen.
  • <0.2> Mehrachsiger Winkelgeschwindigkeitssensor (nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt)
  • Bei dem oben erläuterten herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor wird eine Winkelgeschwindigkeitskomponente um die Z-Achse gemessen, und daher ist dieser Sensor nicht in der Lage, eine Winkelgeschwindigkeitskomponente um die X- oder die Y-Achse zu messen. Ein in 2 dargestelltes Beispiel veranschaulicht einen mehrachsigen Winkelgeschwindigkeitssensor, der in der Lage ist, unabhängig voneinander eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx bezüglich der X-Achse, eine Komponente ωy um die Y-Achse und eine Komponente ωz bezüglich der Z-Achse in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem bezüglich eines vorbestimmten Objekts 20 nachzuweisen. Das Grundprinzip wird anhand der 3 bis 5 erläutert. Es sei angenommen, ein Oszillator 30 befinde sich im Ursprung des dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystems. Um die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx bezüglich der X-Achse des Oszillators 30 zu messen, reicht es aus, die in Richtung der Y-Achse entstehende Coriolis-Kraft Fy zu messen, wenn der Schwinger 30 dazu gebracht ist, gemäß 3 eine Schwingung U z Richtung der Z-Achse auszuführen. Die Coriolis-Kraft Fy nimmt einen Wert proportional zu der Win kelgeschwindigkeitskomponente ωx an. Um weiterhin die Winkelgeschwindigkeit ωy bezüglich der Y-Achse des Oszillators 30 zu messen, reicht es aus, die in Richtung der Z-Achse entstehende Coriolis-Kraft Fz zu messen, wenn der Schwinger 30 dazu gebracht wird, gemäß 4 eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse auszuführen. Die Coriolis-Kraft Fz hat dann einen Wert proportional zur Winkelgeschwindigkeit ωy. Um weiterhin die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz bezüglich der Z-Achse des Schwingers 30 zu messen, reicht es aus, eine in Richtung der X-Achse erzeugte Coriolis-Kraft Fx zu messen, wenn der Schwinger 30 dazu gebracht wird, eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse auszuführen. Die Coriolis-Kraft Fx nimmt einen Wert proportional zur Winkelgeschwindigkeit ωz an.
  • Um schließlich Winkelgeschwindigkeitskomponenten um jede einzelne Achse in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem zu messen, sind der Mechanismus zum Anschwingen des Oszillators 30 in Richtung der X-Achse, der Mechanismus zum Anschwingen des Schwingers in Richtung der Y-Achse und der Mechanismus zum Anschwingen in Richtung der Z-Achse ebenso erforderlich wie der Mechanismus zum Nachweisen der Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse, die auf den Oszillator 30 ausgeübt wird, der Mechanismus zum Nachweisen der Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse und der Mechanismus zum Nachweisen von Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse.
  • <0.3> Schwingungsmechanismus/Nachweismechanismus
  • Wie oben beschrieben, sind in einem mehrachsigen Winkelgeschwindigkeitssensor der Mechanismus zum Anschwingen des Oszillators in Richtung einer spezifischen Koordinatenachse und der Mechanismus zum Nachweisen oder Messen einer Coriolis-Kraft in einer spezifischen Koordinatenachsenrichtung, welche auf den Oszillator ausgeübt wird, erforderlich. Als Oszillator- oder Schwingungsmechanismus kann von folgenden Mechanismen Gebrauch gemacht werden:
  • (1) Mechanismus unter Ausnutzung von Coulomb-Kraft:
  • Es werden eine erste und eine zweite Elektrode auf der Oszillatorseite und auf der Sensorgehäuseseite angeordnet oder ausgebildet, um ein Paar Elektroden einander gegenüberliegend zu erhalten. Werden an die beiden Elektrodenladungen gleicher Polarität gegeben, so wird eine abstoßende Kraft erzeugt. Werden hingegen ungleichnamige Ladungen zugeführt, entsteht eine Anziehungskraft. Wenn also von einem Verfahren Gebrauch gemacht wird, bei dem die beiden Elektroden austauschbar einer Abstoßungskraft und einer Anziehungskraft ausgesetzt sind, so schwingt der Oszillator gegenüber dem Sensorgehäuse.
  • (2) Mechanismus unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements:
  • Dieser Mechanismus ist der in dem in 1 gezeigten uniaxialen Winkelgeschwindigkeitssensor verwendete Mechanismus. Durch Anlegen einer Wechselspannung an das piezoelektrische Element 11 wird der Oszillator 10 zum Schwingen gebracht.
  • (3) Mechanismus unter Verwendung elektromagnetischer Kraft:
  • Ein Oszillator aus einem magnetischen Werkstoff wird in Verbindung mit einer Spule verwendet, die an der Seite des Sensorgehäuses angeordnet ist, so dass ein Stromfluss durch die Spule zu einer elektromagnetischen Kraft führt, die den Oszillator zum Schwingen bringt.
  • Als Mechanismus zum Nachweisen von Coriolis-Kraft können hingegen die im Folgenden beschriebenen Mechanismen verwendet werden:
  • (1) Mechanismus unter Ausnutzung der Änderung der elektrostatischen Kapazität:
  • Auf der Seite des Oszillators und auf der Seite des Sensorgehäuses werden eine erste bzw. eine zweite Elektrode gebildet, die ein Elektrodenpaar bilden, bei dem die Elektroden einander gegenüberliegen. Wird auf den Oszillator eine Coriolis-Kraft ausgeübt, findet eine Verlagerung statt, so dass sich der Abstand (die Entfernung) zwischen den beiden Elektroden ändert. Aus diesem Grund ändert sich auch der elektrostatische Kapazitätswert eines durch die beiden Elektroden gebildeten elektrostatischen Kapazitätselemente. Durch Messen einer Änderung des Kapazitätswerts wird die aufgebrachte Coriolis-Kraft gemessen.
  • (2) Mechanismus unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements:
  • Dieser Mechanismus ist der in dem in 1 dargestellten uniaxialen Winkelgeschwindigkeitssensor verwendete Mechanismus. Wird auf das piezoelektrische Element 12 eine Coriolis-Kraft F aufgebracht, so erzeugt das Element 12 eine Spannung proportional zu der Coriolis-Kraft F. Durch Messen der so erzeugten Spannung lässt sich die Coriolis-Kraft messen.
  • (3) Mechanismus unter Verwendung eines Differenztransformators:
  • Es wird ein Oszillator aus einem magnetischen Material verwendet, und auf der Seite des Sensorgehäuses wird eine Spule angebracht. Wenn eine Coriolis-Kraft auf den Oszillator einwirkt, findet eine Verlagerung statt, der Abstand zwischen dem Oszillator und der Spule ändert sich. Aus diesem Grund ändert sich auch die Induktivität der Spule. Durch Messen einer Änderung der Induktivität lässt sich die aufgebrachte Coriolis-Kraft messen.
  • (4) Mechanismus unter Verwendung eines Piezowiderstandselements
  • Ein Substrat wird derart ausgebildet, dass es sich durchbiegt, wenn eine Coriolis-Kraft auf das Substrat einwirkt. Auf dem Substrat wird ein Piezowiderstandselement ausgebildet, um eine in dem Substrat erfolgende Durchbiegung nachzuweisen als Änderung der Widerstandswerts des Piezowiderstandselements. Durch Messen einer Änderung im Widerstandswert lässt sich die aufgebrachte Coriolis-Kraft messen.
  • Während hier kurz das Grundprinzip eines mehrachsigen Winkelgeschwindigkeitssensors erläutert wurde, werden im Folgenden eher praktische Beispiele für Sensoren mit einem einfachen Aufbau erläutert, welche auf der Grundlage des oben erläuterten Grundprinzips arbeiten.
  • §1 Erste Ausführungsform
  • <1.1> Aufbau des Sensors nach der ersten Ausführungsform
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung soll als erstes beschrieben werden. Der Sensor der ersten Ausführungsform ist ein Sensor, bei dem ein Mechanismus unter Ausnutzung von Coulomb-Kraft als Schwingungsmechanismus verwendet wird, während ein Mechanismus unter Nutzung der Änderung elektrostatischer Kapazität als Messmechanismus oder Nachweismechanismus verwendet wird.
  • 6 ist eine seitliche Schnittansicht einer Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der ersten Ausführungsform. Ein flexibles Substrat 110 und fixiertes Substrat 120 haben jeweils die Form eines scheibenförmigen Substrats und sind parallel zueinander mit einem vorbestimmten Zwischenabstand (einer Entfernung) angeordnet. Auf der Unterseite des flexiblen Substrats 110 ist ein säulenförmiger Oszillator oder Schwinger 130 fixiert. Der Außenumfangsbereich des flexiblen Substrats 110 und der Außenumfangsbereich des fixierten Substrats 120 werden beide von einem Sensorgehäuse 140 gelagert. Auf der Unterseite des fixierten Substrats 120 sind fünf obere Elektrodenschichten E1 bis E5 ausgebildet (nur ein Teil davon ist in 6 zu sehen). In ähnlicher Weise sind auf der Oberseite des flexiblen Substrats 110 fünf untere Elektrodenschichten F1 bis F5 ausgebildet (nur ein Teil davon ist zu sehen). Bei dieser Ausführungsform hat das fixierte Substrat 120 eine ausreichende Steifigkeit, so dass keine Möglichkeit für eine Durchbiegung des Substrats gegeben ist. Da andererseits das flexible Substrat 110 Flexibilität besitzt, arbeitet es wie eine sogenannte Membran. Der Oszillator 130 besteht aus einem Material mit einem Gewicht, welches ausreicht, eine stabile Schwingung entstehen zu lassen. Aus Gründen der einfachen Darstellung soll Bezug auf ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem genommen werden, wobei der Schwerpunkt O des Oszillator 30 im Ursprung des Koordinatensystems liegen soll. Dabei ist eine X-Achse in Richtung nach rechts innerhalb der Figur definiert, die Z-Achse läuft definitionsgemäß nach oben, und die Y-Achse läuft definitionsgemäß in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene. Man kann sagen, dass 6 eine Schnittansicht entsprechend der XZ-Ebene des Sensors ist. Es lässt sich auch sagen, dass bei dieser Ausführungsform das flexible Substrat 110 und das fixierte Substrat 120 beide aus einem Isolierstoff gebildet sind. Wenn die Notwendigkeit besteht, diese Substrate aus leitendem Material herzustellen, beispielsweise aus Metall oder dergleichen, so reicht es aus, die jeweiligen Elektrodenschichten unter Einfügung von isolierenden Filmen auszubilden, so dass diese Elektrodenschichten nicht kurzgeschlossen werden.
  • Die Form und die Anordnung der unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 sind deutlich in 7 gezeigt. 7 ist eine Draufsicht auf das flexible Substrat 110, und die Art und Weise, wie die fächerförmigen unteren Elektrodenschichten F1 bis F4 und eine kreisförmige untere Elektrodenschicht F5 angeordnet sind, ist deutlich ersichtlich. Andererseits sind die Form und die Anordnung der oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 deutlich in 8 zu sehen, die eine Bodenansicht des fixierten Substrats 120 ist, wobei die Art und Weise der Anordnung der fächerförmigen oberen Elektrodenschichten E1 bis E4 sowie einer kreisförmigen oberen Elektrodenschicht E5 deutlich dargestellt ist. Die oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 und die unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 haben die gleiche Form und sind an einander gegenüberliegenden Stellen angeordnet. Folglich werden durch entsprechende Paare einander gegenüberliegender Elektrodenschichten elektrostatische Kapazitätselemente (im Folgenden: Kapazitätselemente) gebildet. Schließlich sind insgesamt fünf Kapazitätselemente vorhanden, die als Kapazitätselemente C1 bis C5 bezeichnet werden. Beispielsweise hat ein durch die obere Elektrodenschicht E1 und die untere Elektrodenschicht F1 gebildetes Kapazitätselement die Bezeichnung C1.
  • <1.2> Schwingungsmechanismus des Oszillators
  • Wir wollen nun studieren, welches Phänomen in Erscheinung tritt, wenn an ein vorbestimmtes Paar von Elektroden des Sensors eine Spannung gelegt wird. Zunächst soll der Fall betrachtet werden, dass eine vorbestimmte Spannung an die Elektrodenschichten E1, F1 gelegt wird. Wenn z. B. gemäß 9 eine Spannung derart angelegt wird, dass die Seite der Elektrodenschicht E1 positiv und die der Elektrodenschicht F1 negativ ist, so erleiden beide Elektrodenschichten basierend auf der zwischen ihnen herrschenden Coulomb-Kraft eine Anziehungskraft. Wie oben beschrieben, ist das flexible Substrat 110 ein Flexi bilität aufweisendes Substrat. Folglich kommt es durch diese Anziehungskraft zu einer Biegung. Wie in 9 gezeigt ist, wird das flexible Substrat 110 mechanisch so verformt, dass der Abstand zwischen den Elektrodenschichten E1, F1, an die eine Spannung angelegt wurde, zusammengezogen wird. Findet eine solche mechanische Verformung in dem flexiblen Substrat 110 statt, erzeugt der Oszillator 130 eine Verlagerung in positiver Richtung der X-Achse um ΔX.
  • Es soll nun der Fall betrachtet werden, dass eine vorbestimmte Spannung an die Elektrodenschichten E2, F2 gelegt wird. Wie z. B. in 10 zu sehen ist, wirkt zwischen diesen Elektroden eine Anziehungskraft, wenn auf die Seite der Elektrodenschicht E2 eine positive und auf die Seite der Elektrode F2 eine negative Spannung gelegt wird. Damit wird das flexible Substrat 110 mechanisch derart verformt, dass der Abstand zwischen den Elektrodenschichten E2, F2 kleiner wird. Im Ergebnis erzeugt der Oszillator 130 eine Verlagerung um ΔX in negativer Richtung der X-Achse. Wird schließlich an die Elektrodenschichten E1, F1 eine Spannung gelegt, so macht der Oszillator 130 eine Verlagerung in positiver Richtung der X-Achse. Wird hingegen eine Spannung an die Elektrodenschichten E2, F2 gelegt, macht der Oszillator 130 eine Verlagerung in negativer Richtung der X-Achse. Durch ausgetauschtes Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten E1, F1 und einer Spannung an die Elektrodenschichten E2, F2 ist es also möglich, den Oszillator 130 in Richtung der X-Achse hin- und herzubewegen.
  • Wie in den 7 und 8 gezeigt ist, liegen die oben erwähnten Elektroden E1, F1; E2, F2 als Elektrodenschichten auf der X-Achse. Hingegen sind die Elektrodenschichten E3, F3; E4, F4 auf der Y-Achse angeordnet. Es lässt sich also leicht verstehen, dass ein Verfahren eingesetzt wird, bei dem austauschbar eine Spannung an die Elektrodenschichten E3, F3 und eine Spannung an die Elektrodenschichten E4, F4 gelegt wird, um zu ermöglichen, dass der Oszillator 130 in Richtung der Y-Achse hin- und herbewegt wird.
  • Bezüglich eines vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckten Beispiels soll im Folgenden der Fall betrachtet werden, dass eine vorbestimmte Spannung an die Elektrodenschichten E5, F5 gelegt wird. Wie in 11 gezeigt ist, wird beispielsweise dann, wenn eine Spannung so an die Elektrodenschicht E5 gelegt wird, dass diese positiv ist, während die Seite der Elektrodenschicht F5 negativ ist, eine Anziehungskraft zwischen diesen Elektroden gebildet, der zufolge des flexible Substrat 110 sich mechanisch verformt und der Abstand zwischen den Elektrodenschichten E5, F5 verkleinert wird. Da sich diese Elektrodenschichten E5, F5 beide im Zentrum der jeweiligen Substrate befinden, kommt es zu einer Verlagerung, bei der das flexible Substrat 110 eine parallele Versetzung in Richtung der Z-Achse ohne Neigung ausführt. Im Ergebnis erzeugt der Oszillator 130 eine Verlagerung um ΔZ in positiver Richtung der Z-Achse. Wenn das Anlegen einer Spannung an die beiden Elektrodenschichten E5, F5 beendet wird, kehrt der Oszillator 130 in die Ausgangsstellung (die in 6 gezeigte Stellung) zurück. Durch intermittierendes Anlegen einer Spannung an die beiden Elektrodenschichten E5, F5 kann man also den Oszillator 130 in Richtung der Z-Achse hin- und herbewegen.
  • Wenn, wie oben ausgeführt, das Anlegen einer Spannung an eine spezifische Gruppe von Elektrodenschichten mit einem spezifischen zeitlichen Ablauf erfolgt, besteht die Möglichkeit, den Oszillator 130 entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse zum Schwingen zu bringen. Es sei angemerkt, dass zwar das Anlegen einer Spannung in der Weise beschrieben wurde, dass die oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 positiv und die unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 negativ sind, dass aber bei Umkehrung der Polarität auch eine Anziehungskraft mit dem Ergebnis entsteht, dass es zu dem gleichen Phänomen kommt.
  • Damit schließlich der Oszillator 130 eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse gemäß der Erfindung ausführen kann, reicht es aus, eine Spannung V1 mit der in 12 gezeigten Wellenform an die Elektrodenschichten E1, F1 und eine Spannung V2 mit der in 12 gezeigten Wellenform an die Elektrodenschichten E2, F2 zu legen. Wenn Spannungen mit derartigen Wellenverläufen angelegt werden, wird eine Verlagerung ΔX, wie sie in 9 gezeigt ist, in dem Oszillator 130 zu den Zeitspannen t1, t3, t5 erzeugt, und es wird gemäß 10 eine Verlagerung ΔX in dem Oszillator 130 in den Zeitspannen t2, t4 erzeugt. In ähnlicher Weise gilt: Damit der Oszillator 130 eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse ausführt, reicht es aus, eine Spannung V3 mit einer in 13 gezeigten Wellenform an die Elektrodenschichten E3, F3 anzulegen, und eine Spannung V4 mit einer in 13 gezeigten Wellenform an die Elektrodenschichten E4, F4 anzulegen.
  • Als Beispiel, welches nicht vom Schutzumfang der Ansprüche umfasst ist, ist es möglich, den Oszillator 130 dazu zu bringen, eine Schwingung U z in Richtung der Z-Achse auszuführen, wozu es ausreicht, eine Spannung V5 mit einer in 14 gezeigten Wellenform an die Elektrodenschichten E5, F5 anzulegen. Wird eine Spannung V5 mit dieser Wellenform angelegt, so macht der Oszillator 130 in den Zeitspannen t1, t3, t5 eine Verlagerung ΔZ, und der Oszillator 130 kehr in die in 6 dargestellte Stellung zurück aufgrund einer Rückstellkraft des flexiblen Substrats 110 in den Zeitspannen t2, t4 (zu dieser Zeit wird eine Verlagerung ΔZ entsprechend einer Trägheitskraft gebildet).
  • <1.3> Mechanismus zum Messen von Coriolis-Kraft
  • 1.3.1 Coriolis-Kraft basierend auf der Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse (vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt)
  • Im Folgenden wird der Mechanismus zum Messen einer auf diesen Sensor unter Ausnutzung von Änderungen elektrostatischer Kapazität ausgeübten Coriolis-Kraft beschrieben. Zunächst wird das Phänomen betrachtet, dass eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse an dem Sensor entsteht. Wenn beispielsweise der in 2 dargestellte Gegenstand 20 eine Drehbewegung mit einer Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse ausführt und dieser Sensor an dem Gegenstand 20 gelagert ist, so wirkt auf den Oszillator 130 eine Winkelgeschwindigkeit (Komponente) ωx um die X-Achse ein. Wie in Verbindung mit 3 erläutert wurde, wird, wenn der Oszillator dazu gebracht wird, eine Schwingung U z in Richtung der Z-Achse in dem Zustand auszuführen, in welchem eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse wirkt, in Richtung der Y-Achse eine Coriolis-Kraft Fy erzeugt. Wenn also von einem Verfahren Gebrauch gemacht wird, bei dem eine Spannung V5 mit einer in 14 gezeigten Wellenform an die Elektrodenschichten E5, F5 dieses Sensors gelegt wird und der Oszillator 130 eine Schwingung U z in Richtung der Z-Achse ausführen kann, so muss in Richtung der Y-Achse eine Coriolis-Kraft Fy zustande kommen.
  • 15 ist eine seitliche Schnittansicht, die den Zustand einer mechanischen Verformung in dem flexiblen Substrat 110 aufgrund dieser Coriolis-Kraft Fy veranschaulicht. Wird der Oszillator 130 in Richtung der Z-Achse in einem Zustand zum Schwingen gebracht, in welchem der gesamte Sensor sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse (in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene) dreht, so wird in Richtung der Y-Achse eine Coriolis-Kraft Fy erzeugt, wobei diese Kraft den Oszillator 170 in Richtung der Y-Achse bewegt. Durch diese Kraft wird das flexible Substrat 110 in der dargestellten Weise verformt. Diese von der Richtung der Y-Achse abweichende Verformung basiert nicht auf einer Coulomb-Kraft zwischen den Elektrodenschichten, sondern resultiert aus der Coriolis-Kraft Fy. Was eine an die Elektrodenschichten angelegte Spannung angeht, so wird die in 14 gezeigte Spannung V5 nur an die Elektrodenschichten E5, F5 in der oben beschriebenen Weise angelegt, jedoch erfolgt keine Spannungsanlegung an die anderen Paare von Elektrodenschichten. Da in diesem Fall die erzeugte Coriolis-Kraft Fy proportional zu der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx ist, kann man, wenn man den Wert der Coriolis-Kraft Fy messen kann, die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx messen.
  • Dementsprechend wird die Coriolis-Kraft Fy gemäß folgendem Verfahren unter Ausnutzung der Änderung der Kapazität gemessen. Wir wollen die Abstände zwischen den oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 und den unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 betrachten. Da der Oszillator 130 in Richtung nach oben und nach unten gemäß 13 schwingt, kommt es zu zyklischer Wiederholung der Verringerung und Vergrößerung des Abstands zwischen den beiden Elektrodenschichten. Folglich wiederholt sich das Phänomen, dass Kapazitätswerte (welche angenommenerweise durch gleiche Bezugseichen C1 bis C5 bezeichnet sind) der Kapazitätselemente C1 bis C5, gebildet aus den oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 und den unteren Elektrodenschichten F1 bis F5, sich zyklisch vergrößern oder verkleinern. Allerdings wird eine Verformungsabweichung in Richtung der Y-Achse stets in dem flexiblen Substrat 110 durch Einwirkung der Coriolis-Kraft Fy erzeugt. Im Ergebnis schwingt der Oszillator 130 nach oben und nach unten, während ein verformter Zustand beibehalten wird. Der Elektrodenabstand (die Entfernung) des Kapazitätselements C3 ist nämlich immer kleiner als der Elektrodenabstand (die Entfernung) des Kapazitätselements C4. Zwischen dem Kapazitätswert C3 und dem Kapazitätswert C4 gilt immer die Beziehung C3 > C4. Da die Differenz ΔC34 zwischen den Kapazitätswerten C3 und C4 vom Ausmaß der Abweichung in Richtung der Y-Achse abhängt, liefert die Differenz einen Wert bezüglich des Maßes der Coriolis-Kraft Fy. In anderen Worten: Je größer die Coriolis-Kraft Fy ist, desto größer ist die Differenz ΔC34.
  • Zusammengefasst läuft die Prozedur zum Messen der Winkelgeschwindigkeit (Komponente) ωx bezüglich der X-Achse folgendermaßen ab: Erstens wird an die Elektrodenschichten E5, F6 eine Spannung V5 mit einer in 14 gezeigten Wellenform angelegt, damit der Oszillator 130 in Richtung der Z-Achse eine Schwingung U z ausführt, um dadurch eine Kapazitätswertdifferenz ΔC34 zwischen den Kapazitätselementen C3, C4 zu einem identischen Zeitpunkt zu bestimmen. Die auf diese Weise festgelegte Differenz ΔC34 kennzeichnet einen Messwert der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx, die es zu bestimmen gilt. Da die Elektrodenschichten E5, F5 zum Erzeugen einer Schwingung herangezogen werden und die Elektrodenschichten E3, F3; E4, F4 zum Messen von Kapazitätswertdifferenzen elektrisch vollständig unabhängig sind, besteht keine Möglichkeit für irgendeine Störung zwischen dem Schwingungsmechanismus einerseits und dem Mess- oder Detektormechanismus andererseits.
  • 1.3.2 Coriolis-Kraft basierend auf der Winkelgeschwindigkeit ωy bezüglich der Y-Achse (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt)
  • Wir wollen das Phänomen betrachten, dass auf dem Sensor eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse einwirkt. Wie in Verbindung mit 4 erläutert, wird in Richtung der Z-Achse eine Coriolis-Kraft Fz erzeugt, wenn der Oszillator dazu gebracht wird, eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse auszuführen, während eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse vorhanden ist. Wenn folglich von einem Verfahren Gebrauch gemacht wird, bei dem eine Spannung V1 und eine Spannung V2 mit den in 12 gezeigten Spannungsverläufen an die Elektrodenschichten E1, F2 bzw. E2, F2 des Sensors gelegt wird, und weiterhin der Oszillator 130 dazu gebracht wird, in Richtung der X-Achse eine Schwingung Ux auszuführen, so muss in Richtung der Z-Achse eine Coriolis-Kraft Fz erzeugt werden.
  • 16 ist eine seitliche Schnittansicht, die den Zustand zeigt, in welchem eine mechanische Verformung aufgrund dieser Coriolis-Kraft Fz in dem flexiblen Substrat 110 erzeugt wird. Wenn der Oszillator 130 in Richtung der X-Achse in einem Zustand zum Schwingen gebracht wird, in welchem der gesamte Sensor sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse dreht (in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene), so wird in Richtung der Z-Achse eine Coriolis-Kraft Fz erzeugt, demzufolge eine Kraft zum Bewegen des Oszillators 130 in Richtung der Z-Achse einwirkt. Durch diese Kraft wird das flexible Substrat 110 in der dargestellten Weise verformt. Diese Verformungsabweichung in Richtung der Z-Achse basiert nicht auf Coulomb-Kraft zwischen den Elektrodenschichten, sondern resultiert aus der Coriolis-Kraft Fz. Bezüglich der Anlegung der Spannung an die Elektrodenschichten, werden die Spannungen V1, V2 gemäß 12 nur an die Elektrodenschichten E1, F1; E2, F2 gelegt, an die übrigen Elektrodenschichten wird jedoch keine Spannung gelegt. Da die erzeugte Coriolis-Kraft Fz einen Wert proportional zur Winkelgeschwindigkeit ωy annimmt, kann man diese Geschwindigkeit (Komponente) ωy messen, wenn der Wert der Coriolis-Kraft Fz gemessen werden kann.
  • Der Wert der Coriolis-Kraft Fz kann anhand des Kapazitätswerts C5 des durch die obere Elektrodenschicht E5 und die untere Elektrodenschicht F5 gebildeten Kapazitätselements C5 ermittelt werden. Dies deshalb, weil man die Beziehung nutzen kann, gemäß der bei größer werdender Coriolis-Kraft Fz der Abstand zwischen den beiden Elektrodenschichten zunehmend geringer wird, demzufolge der Kapazitätswert C5 größer wird, während bei kleiner werdender Coriolis-Kraft Fz der Abstand zwischen den beiden Elektrodenschichten größer wird und folglich der Kapazitätswert C5 klein wird. Es sei angemerkt, dass der Oszillator 130 in Richtung der X-Achse schwingt, diese Schwingung Ux aber keinen Einfluss auf die Messung des Kapazitätswerts C5 hat. Wenn der Oszillator 130 eine Verlagerung in positiver Richtung oder in negativer Richtung der X-Achse vollzieht, gelangen die obere Elektrodenschicht E5 und die untere Elektrodenschicht F5 in einen nicht-parallelen Zustand. Da aber der Abstand zwischen beiden Elektrodenschichten teilweise geringer und teilweise größer wird, hat die Schwingung Ux keinen Einfluss auf den Kapazitätswert C5 insgesamt.
  • Der Vorgang des Messens der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy um die Y-Achse gemäß obiger Beschreibung lässt sich folgendermaßen zusammenfassen: Zunächst werden die Spannungen V1 und V2 mit den in 12 gezeigten Wellenformen an die Elektrodenschichten E1, F1; E2, F2 gelegt, damit der Oszillator 130 die Schwingung Ux in Richtung der X-Achse ausführen kann, um auf diese Weise einen Kapazitätswert des Kapazitätselements C5 in diesem Zeitpunkt festzulegen. Der auf diese Weise festgelegte Kapazitätswert C5 kennzeichnet einen Messwert für die Winkelgeschwindigkeit (Komponente) ωy. Da die Elektrodenschichten E1, F1; E2, F2 zum Erzeugen der Schwingung einerseits und die Elektrodenschichten E5, F5 zum Messen eines Kapazitätswerts andererseits elektrisch völlig unabhängig sind, besteht keine Möglichkeit für irgendeine Störung zwischen dem Schwingungsmechanismus und dem Mess- oder Detektormechanismus.
  • 1.3.3 Coriolis-Kraft basierend auf Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse
  • Schließlich wollen wir das Phänomen für den Fall betrachten, dass die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz bezüglich der Z-Achse auf diesen Sensor einwirkt. Wie in Verbindung mit 5 erläutert wurde, wird, wenn der Oszillator eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse ausführt, während die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse wirkt, in Richtung der X-Achse eine Coriolis-Kraft Fx erzeugt. Wenn also ein Verfahren zum Anlegen von Spannungen V3, V4 mit in 13 gezeigten Wellenformen an die Elektrodenschichten E3, F3 und an die Elektrodenschichten E4, F4 dieses Sensors eingesetzt wird, und der Oszillator 130 eine Schwingung Uy in Richtung der Y- Achse ausführen kann, muß eine Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse erzeugt werden.
  • Jeder Fall, in welchem der Oszillator dazu gebracht wird, eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse auszuführen, wodurch eine Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse entsteht, wird ebenfalls durch den Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt, da dieser Fall äquivalent ist zu dem Fall, dass der Oszillator dazu gebracht wird, eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse auszuführen, die zu einer Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse führt, während eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse vorhanden ist.
  • 17 ist eine seitliche Schnittansicht des Zustands, dass eine mechanische Verformung in dem flexiblen Substrat 110 von dieser Coriolis-Kraft Fx hervorgerufen wird. Wenn der Oszillator 130 in Richtung der Y-Achse schwingt (senkrecht zur Zeichnungsebene), während der gesamte Sensor sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse dreht, wird in Richtung der X-Achse eine Coriolis-Kraft Fx erzeugt, und diese Kraft wirkt in Richtung der X-Achse zur Bewegung des Oszillators 130. Durch diese Kraft wird das flexible Substrat 110 in der dargestellten Weise verformt. Diese von der Richtung der X-Achse abweichende Verformung basiert nicht auf Coulomb-Kraft zwischen Elektrodenschichten, sondern ergibt sich aus der Coriolis-Kraft Fx. Da diese Coriolis-Kraft Fx einem Wert entspricht, der proportional zur Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz ist, kann, wenn der Wert der Coriolis-Kraft Fx meßbar ist, die Winkelgeschwindigkeit ωz gemessen werden.
  • Diese Coriolis-Kraft Fx läßt sich dadurch messen, dass man eine Änderung der elektrostatischen Kapazität ähnlich der Coriolis-Kraft Fy ausnutzt. Während die oben beschriebene Coriolis-Kraft Fy ermittelbar ist anhand der Differenz ΔC34 zwischen den Kapazitätswerten C3 und C4 läßt sich die Coriolis-Kraft Fx durch eine Differenz ΔC12 zwischen den Kapazitätswerten C1 und C2 auf der Grundlage exakt des gleichen Prinzips ermitteln, wie es oben erläutert wurde.
  • Zusammenfassend läßt sich die Prozedur zum Messen der Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse gemäß obiger Beschreibung wie folgt darstellen: Zunächst wird von einem Verfahren Gebrauch gemacht, bei dem Spannungen V3 und V4 mit in 13 gezeigten Wellenverläufen an die Elektrodenschichten E3, F3 und an die Elektrodenschichten E4 und F4 gelegt werden, wobei der Oszillator 130 eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse ausführen kann, um dadurch eine Kapazitätswertdifferenz ΔC12 zwischen den Kapazitätselementen C1 und C2 zu diesem Zeitpunkt zu ermitteln. Die so ermittelte Differenz ΔC12 kennzeichnet einen Meßwert für die zu ermittelnde Winkelgeschwindigkeit ωz. Da die Elektrodenschichten E3, F3; E4, F4, die zum Erzeugen einer Schwingung verwendet werden, und die Elektrodenschichten E1, F1; E2, F2, die zum Messen einer Kapazitätswertdifferenz dienen, elektrisch vollständig unabhängig sind, gibt es keine Möglichkeit dafür, dass es zu einer Störung zwischen dem Schwingungsmechanismus und dem Nachweis- oder Detektormechanismus kommt.
  • <1.4> Schaltung zum Messen der Coriolis-Kraft
  • Wie oben erläutert, wird bei dem Sensor der ersten Ausführungsform die Winkelgeschwindigkeit ωx bezüglich der X-Achse dadurch bestimmt, dass eine Differenz ΔC34 zwischen Kapazitätswerten C3 und C4 ermittelt wird, wobei dies nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist; die Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse wird durch Messen des Kapazitätswerts C5 ermittelt (wobei dies ebenfalls nicht durch den Schutzumfang der Ansprüche umfaßt ist; und die Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse wird durch Ermitteln einer Differenz ΔC12 zwischen Kapazitätswerten C1 und C2 gemessen. Dementsprechend wurde oben ein Beispiel für eine Schaltung offenbart, die sich zum Messen eines Kapazitätswerts oder einer Kapazitätsdifferenz in der oben erläuterten Weise eignet.
  • 18 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung zum Messen des Kapazitätswerts eines Kapazitätselements (Kondensators) C. Ein an einen Eingangsanschluß T1 gelegtes Signal wird verzweigt zu Signalen in zwei Wegen, und diese Signale werden über Negatoren 151 und 152 geleitet. In dem unteren Zweig wird das durch den Negator 152 gelaufene Signal weiter über eine Verzögerungsschaltung geleitet, bestehend aus einem Widerstand 153 und einem Kondensator C, so dass es zu einem Eingangssignal eines Exklusiv-ODER-Gatters 154 wird. Im oberen Zweig wird das durch den Negator 153 gelangte Signal zu dem anderen Eingangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters 154 ohne Veränderung. Ein logisches Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters 154 wird am Ausgangsanschluß T2 erzeugt. Bei diesem Beispiel ist der Negator 152 ein Element, dessen Zweck darin besteht, ausreichende Ansteuerfähigkeit bezüglich einer Verzögerungsschaltung aus dem Widerstand 153 und dem Kondensator C erreichen. Außerdem ist der Negator 151 ein Element, dessen Zweck es ist, den oberen und den unteren Zweig in gleichem Zustand zu halten, außerdem ist es ein Element, dessen Betriebskennlinie die gleiche ist wie die des Negators 152.
  • Im Folgenden wird der Fall betrachtet, dass ein Wechselstromsignal vorbestimmter Periodendauer an den Eingangsanschluß T1 dieser Schaltung gelegt wird, um zu sehen, welches Signal am Ausgangsanschluß T2 entsteht. 19 zeigt ein Impulsdiagramm von Wellenformen, die an verschiedenen Teilen der Schaltung auftreten, wenn ein rechteckiges Wechselsignal mit einer halben Periode f an den Eingangsanschluß T1 bei diesem Beispiel gelegt wird (obschon in der Praxis bei einer Rechteckwelle Rundungen auftreten, wird hier die reine Rechteckwelle zur Vereinfachung der Darstellung verwendet). Die Wellenform an dem Knoten N1, der ein Eingangsanschluß des Exklusiv-ODER-Gatters 154 ist, ist eine invertierte Wellenform, die um eine Zeit a verzögert ist, die benötigt wird, damit das Signal durch den Negator 151 gelangen kann, bezogen auf die an den Eingangsanschluß T1 gelieferte Wellenform. Andererseits ist die Wellenform am Knoten N2, der den anderen Eingangsanschluß der Exklusiv-ODER-Schaltung 154 bildet, eine invertierte Wellenform, in der Zeit um insgesamt (a + b) verzögert, wobei diese Zeit benötigt wird, damit ein Signal durch den Negator 152 (Zeit a) und durch die Verzögerungsschaltung aus dem Widerstand 153 und dem Kondensator C (Zeit b) gelangen kann, bezogen auf die Wellenform, die an den Eingangsanschluß T1 gelegt wird. Im Ergebnis erhält man am Ausgangsanschluß T2 die Ausgangswellenform des Exklusiv-ODER- Gatters 154 als Wellenform mit einer Impulsbreite b und einer Periodendauer f, wie aus der Zeichnung hervorgeht. Wenn man nun annimmt, dass der Kapazitätswert des Kondensators C variiert, so gibt es Änderungen in der Verzögerungszeit b der aus dem Widerstand 153 und dem Kondensator C bestehenden Verzögerungsschaltung. Folglich ist die auf diese Weise ermittelte Impulsbreite gleich einem Wert, der kennzeichnend ist für den Kapazitätswert des Kondensators C.
  • 20 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung zum Messen der Differenz ΔC zwischen Kapazitätswerten zweier Kapazitätselemente (Kondensatoren) C1, C2. Ein an einen Eingangsanschluß T3 gegebene Signal wird in Signale für zwei Wege verzweigt. Diese Signale werden über Negatoren 161 und 162 geleitet. Im oberen Zweig läuft das Signal durch den Negator 161 und dann weiter durch eine Verzögerungsschaltung, die aus einem Widerstand 163 und einem Kondensator C1 besteht, um ein Eingangssignal für die Exklusiv-ODER-Schaltung 165 zu bilden. Im unteren Zweig läuft das Signal durch den Negator 162 und dann durch die aus einem Widerstand 164 und einem Kondensator C2 bestehende Verzögerungsschaltung, wodurch das andere Eingangssignal der Exklusiv-ODER-Schaltung 165 gebildet wird. Ein logisches Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters 165 erscheint am Ausgangsanschluß T4. Bei diesem Beispiel sind die Negatoren 161, 162 Elemente, deren Zweck darin besteht, eine Ausreichende Ansteuerfähigkeit für eine Verzögerungsschaltung in der nachfolgenden Stufe bereitzustellen, außerdem haben beide Negatoren die gleiche Arbeitskennlinie.
  • Wir wollen nun betrachten, welches Signal am Ausgangsanschluß T4 erhalten werden kann, wenn ein Wechselstromsignal vorbestimmter Periodendauer an den Eingangsanschluß T3 einer solchen Schaltung gelegt wird. Wie in 21 zu sehen ist, ist, wenn ein rechteckiges Wechselstromsignal an den Eingangsanschluß T3 gelegt wird, die Wellenform am Knoten N3, der ein Eingangsanschluß des Exklusiv-ODER-Gatters 165 ist, eine invertierte Wellenform mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung d1. In ähnlicher Weise ist die Wellenform am Knoten N4, der den anderen Eingangsanschluß darstellt, eine invertierte Wellenform mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit d2. Im Ergebnis wird als Ausgangswellenform der Exklusiv-ODER-Schaltung 165 am Ausgangsanschluß T4 eine Wellenform mit einer Impulsbreite d gemäß Darstellung erhalten. Die Impulsbreite d ist ein Wert entsprechend einer Differenz zwischen den Verzögerungszeiten d1 und d2 und nimmt einen Wert an, der der Differenz ΔC zwischen den Kapazitäten der beiden Kondensatoren C1, C2 entspricht. Damit läßt sich die Kapazitätswertdifterenz ΔC in Form der Impulsbreite d ermitteln.
  • <1.5> Modifikation 1
  • Bei dem oben beschriebenen Sensor gemäß der ersten Ausführungsform wird eine auf Coulomb'scher Kraft basierende Anziehungskraft auf den schwingenden Oszillator 130 ausgeübt. Wenn beispielsweise der Oszillator 130 in Richtung der X-Achse schwingt, reicht es aus, dass der erste Zustand, in welchem Ladungen mit einander entgegengesetzten Polaritäten an die beiden Elektrodenschichten E1, F1 geliefert werden, so dass eine Anziehungskraft zwischen ihnen gemäß 9 ausgeübt wird, und der zweite Zustand, in welchem Ladungen entgegengesetzter Polaritäten an die beiden Elektrodenschichten E2, F2 geliefert werden, so dass eine Anziehungskraft zwischen ihnen gemäß 10 ausgeübt wird, reziprok wiederholt werden. Um aber eine solche Schwingung noch stärker zu stabilisieren, ist es vorzuziehen, eine abweisende Kraft zusammen mit einer Anziehungskraft auszuüben. Wenn von einem beispielsweise in 22 dargestellten Verfahren Gebrauch gemacht wird, um positive und negative Ladungen an die obere Elektrodenschicht E1 und die untere Elektrodenschicht F1 zu liefern, damit die beiden Elektrodenschichten einer Anziehungskraft ausgesetzt werden, und negative Ladungen sowohl an die obere Elektrodenschicht E2 als auch die untere Elektrodenschicht F2 geliefert werden (oder positive Ladungen an beide Elektroden gegeben werden), damit beide Elektrodenschichten zwischen sich eine Rückstoßkraft erzeugen, so kann man in stabilerer Weise einen Betrieb erreichen, bei dem der Oszillator 130 in positiver Richtung der X-Achse eine Verlagerung um ΔX ausführt. Der in 9 gezeigte Zustand und der in 22 gezeigte Zustand sind insofern gleich, als der Oszillator 130 eine Verlagerung ΔX vollzieht, allerdings hängt der erstgenannte Fall von einer auf einen Teil ausgeübten Kraft ab, während der letztere Fall von einer auf beide Teile ausgeübten Kraft abhängt. Deshalb ist der letztere Fall stabiler als ersterer.
  • In ähnlicher Weise wird gemäß 10 auch dann, wenn der Oszillator 130 zu einer Verlagerung um –ΔX in negativer Richtung der X-Achse gebracht wird, bei Verwendung des in 23 dargestellten Verfahrens, bei dem positive Ladungen und negative Ladungen an die obere Elektrodenschicht E2 bzw. die untere Elektrodenschicht F2 gegeben werden, damit beide Elektrodenschichten einer Anziehungskraft ausgesetzt sind, während negative Ladungen an sowohl die obere Elektrodenschicht E1 als auch die untere Elektrodenschicht F1 gelegt werden (oder positive Ladungen an beide Elektroden gelegt werden), damit beide Elektrodenschichten zwischen sich eine Abstoßungskraft erzeugen, der Betrieb noch weiter stabilisiert werden. Wenn schließlich von einem Verfahren Gebrauch gemacht wird, bei dem Ladung in einer vorbestimmten Polarität an die jeweiligen Elektrodenschichten mit einem vorbestimmten zeitlichen Ablauf geliefert werden, so dass der erste, in 22 gezeigte Zustand und der zweite, in 23 gezeigte Zustand reziprok wiederholt werden, so kann man den Oszillator 130 in stabiler Weise in Richtung der X-Achse zum Schwingen bringen. Auch in dem Fall, dass der Oszillator 130 in Richtung der Y-Achse schwingt, so läuft der Betrieb genauso ab, wie es oben erläutert wurde.
  • Es soll der Fall als von dem Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedecktes Beispiel betrachtet werden, dass der Oszillator 130 in Richtung der Z-Achse schwingt. Bei dem zuvor beschriebenen Beispiel werden der erste Zustand, in welchem positive Ladungen und negative Ladungen an die obere Elektrodenschicht E5 bzw. an die untere Elektrodenschicht F5 geliefert werden, damit beide Elektrodenschichten zwischen sich gemäß 11 eine Anziehungskraft erfahren, und der Neutralzustand, in welchem keine Ladung an irgendeine Elektrodenschicht geliefert wird, reziprok wiederholt, damit die Schwingung Uz erzeugt wird. Auch in diesem Fall läßt sich der Vorgang noch weiter stabilisieren, indem man von einer Abstoßungskraft zwischen den beiden Elektrodenschichten Gebrauch macht. Wenn man von einem in 24 dargestellten Verfahren Gebrauch macht, bei dem positive Ladungen sowohl an die obere Elektrode E5 als auch an die untere Elektrode F5 geliefert werden (oder negative Ladungen an beide Elektrodenschichten geliefert werden), damit beide Elektrodenschichten zwischen sich eine Abstoßungskraft bilden, so erzeugt der Oszillator 130 eine Verlagerung –Δz in negativer Richtung der Z-Achse. Deshalb wird, wenn von einem Verfahren Gebrauch gemacht wird, bei dem in einem vorbestimmten zeitlichen Ablauf Ladungen vorbestimmter Polarität an die jeweiligen Elektrodenschichten gelegt werden, so dass der in 11 gezeigte erste Zustand und der in 24 dargestellte zweite Zustand sich reziprok wiederholen, die Möglichkeit gegeben, den Oszillator 130 in Richtung der Z-Achse stabil zum Schwingen zu bringen.
  • Während die Möglichkeit besteht, in einfacher Weise Ladungen entgegengesetzter Polarität auf ein Paar sich gegenüberliegender Elektrodenschichten zu geben, ist es notwendig, eine spezielle Einrichtung zu schaffen, um Ladungen gleicher Polarität bereitzustellen. Es reicht nämlich aus, eine vorbestimmte Spannung an die beiden Elektrodenschichten zu legen, um Ladungen von entgegengesetzter Polarität zu liefern, allerdings läßt sich dieses Verfahren nicht anwenden, um Ladungen gleicher Polarität bereitzustellen. Um dieses Problem zu lösen, kann man von einem Verfahren Gebrauch machen, bei dem die jeweiligen Elektrodenschichten dazu gebracht werden, eine Doppelschichtstruktur mit dazwischenliegender dielektrischen Substanz anzunehmen. 25 ist eine seitliche Schnittansicht eines Sensors unter Verwendung einer solchen Struktur. Untere Elektrodenschichten F1 bis F5 sind auf der Oberseite eines dielektrischen Substrats 171 ausgebildet, Hilfselektrodenschichten F1a bis F5a sind zwischen dem dielektrischen Substrat 171 und dem flexiblen Substrat 110 ausgebildet. Die Hilfselektrodenschichten F1a bis F5a haben die gleiche Form wie die unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 und sind an den gleichen Stellen angeordnet. In ähnlicher Weise sind obere Elektrodenschichten E1 bis D5 an der Unterseite eines dielektrischen Substrats 172 ausgebildet, und es sind Hilfselektrodenschichten E1a bis E5a zwischen dem dielektrischen Substrat 172 und dem fixierten Substrat 120 ausgebildet. Die Hilfselektrodenschichten E1a bis E5a haben die gleiche Form wie die oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 und sind an den gleichen Stellen angeordnet.
  • Wird von einer solchen Doppelschichtstruktur Gebrauch gemacht, kann man erreichen, dass spezielle Elektrodenschichten zwischen sich eine Anziehungskraft bilden, und man kann sie dazu bringen, dass zwischen ihnen eine Abstoßungskraft entsteht, ohne dass eine Beschränkung besteht. Dies wird durch Verwendung eines aktuellen Beispiels verdeutlicht. 26 ist eine Darstellung, die nur die herausgezogenen Abschnitte der jeweiligen Elektrodenschichten und der dazugehörigen dielektrischen Substrate in dem in 25 gezeigten Sensor veranschaulichen. Wenn z. B. die Elektrodenschichten E1, F1 zwischen sich eine Anziehungskraft erfahren sollen, reicht es aus, eine Spannung an die beiden Elektrodenschichten zu legen, so dass Ladungen entgegengesetzter Polarität an die Elektrodenschichten geliefert werden. Soll hingegen zwischen den Elektrodenschichten E2, F2 eine Abstoßungskraft wirken, so reicht es aus, eine Spannung an die Hilfssubstrate E2a, F2a und an die Elektrodenschichten E2, F2 zu legen, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Da die Spannung V angelegt wird, während das dielektrische Substrat 171 zwischen der Hilfselektrodenschicht und der Elektrodenschicht liegt, werden in der Elektrodenschicht F2 negative Ladungen und werden in der Hilfselektrodenschicht F2a positive Ladungen erzeugt. Ähnlich gilt: Wenn eine Spannung V angelegt wird, während das dielektrische Substrat 172 zwischen der Hilfselektrodenschicht und der Elektrodenschicht liegt, so werden in der Elektrodenschicht E2 negative Ladungen und in der Hilfselektrodenschicht E2a positive Ladungen erzeugt. Auf diese Weise werden Ladungen gleicher Polarität an beide Elektrodenschichten E2, F2 gelegt. Damit können die beiden Elektrodenschichten zwischen sich eine Abstoßungskraft bilden.
  • <1.6> Modifikation 2
  • Die oben beschriebene Modifikation 1 wird in ihrer Struktur etwas komplizierter als der in 6 gezeigte Sensor. Hingegen betrifft die im Folgenden beschriebene Modifikation 2 einen Sensor, der in seiner Struktur gegenüber dem in 6 gezeigten Sensor vereinfacht ist. Bei dem Sensor nach der Modifikation 2 ist gemäß 27 eine einzelne gemeinsame Elektrodenschicht E0 anstelle der oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 ausgebildet. Diese gemeinsame Elektro denschicht E0 ist eine scheibenförmige Elektrodenschicht mit Abmessungen, die sämtliche unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 abdecken. Selbst wenn Elektrodenschichten auf einer Seite als eine einzelne gemeinsame Elektrodenschicht gebildet sind, wie es oben erläutert wurde, erfolgt, wenn an diese gemeinsame Elektrodenschicht immer ein Referenzpotential angelegt wird, keine Störung des Betriebs dieses Sensors. Legt man z. B. eine Spannung an ein spezifisches Paar von Elektrodenschichten an, damit der Oszillator 130 schwingen kann, so reicht es aus, wenn die gemeinsame Elektrodenschicht E0 geerdet wird, um eine Spannung an eine vorbestimmte Elektrodenschicht der unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 zu liefern. Auch im Fall des Messens der Corioliskraft aufgrund der Änderung des Kapazitätswerts reicht es aus, wenn die gemeinsame Elektrodenschicht E0 in ähnlicher Weise geerdet wird, um die einzelnen Kapazitätselemente C1 bis C5 zu handhaben.
  • Wie oben angegeben wurde, sind die fünf oberen Elektroden E1 bis F5 durch eine einzige gemeinsame Elektrodenschicht E0 ersetzt, was die mechanische Struktur des Sensors und/oder die dazugehörige Verdrahtung vereinfacht. Wenn außerdem das fixierte Substrat 120 durch ein leitendes Material wie z. B. Metall oder dergleichen gebildet wird, kann man die Unterseite des fixierten Substrats 120 als die gemeinsame Elektrodenschicht E0 verwenden. Aus diesem Grund entfällt die Notwendigkeit, zielgerichtet die gemeinsame Elektrodenschicht E0 als getrennten Körper auf der Unterseite des fixierten Substrats 120 auszubilden. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau.
  • Oben wurde das Beispiel beschrieben, bei dem die oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 ersetzt werden durch die gemeinsame Elektrodenschicht E0, aber man kann auch die unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 ersetzen durch eine gemeinsame Elektrodenschicht F0, und zwar in einer zu dem oben erläuterten Vorgang entgegengesetzten Weise.
  • §2.2 der Ausführungsform (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt)
  • <2.1> Struktur des Sensors nach der zweiten Ausführungsform
  • Im Folgenden wird ein mehrachsiger oder multiaxialer Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Diese zweite Ausführungsform ist außerdem die gleiche wie der oben beschriebene Sensor der ersten Ausführungsform insoweit, als ein Coulomb'sche Kraft nutzender Mechanismus als Schwingungsmechanismus dient und ein Mechanismus unter Ausnutzung der Änderung elektrostatischer Kapazität als Nachweismechanismus dient. Es sei angemerkt, dass diese Struktur aus mehreren gestapelten Substraten besteht und sich daher besser für die Massenproduktion eignet.
  • 28 ist eine seitliche Schnittansicht des mehrachsigen Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der zweiten Ausführungsform. Dieser Sensor enthält als Hauptbestandteile ein erstes Substrat 210, ein zweites Substrat 220 und ein drittes Substrat 230. Bei dieser Ausführungsform besteht das erste Substrat 210 aus einem Siliziumsubstrat, das zweite und dritte Substrat 220 und 230 bestehen aus einem Glassubstrat. Die einzelnen Substrate sind miteinander durch anodisches Bonden verbunden. Das erste Substrat 210 ist ein Substrat, welches die zentrale Rolle dieses Sensors spiegelt. 29 ist eine Draufsicht auf das erste Substrat 210. Wie deutliche in 29 zu sehen ist, sind in dem ersten Substrat 210 L-förmige Öffnungsbereiche H1 bis H4 vorhanden. Diese Öffnungsbereiche H1 bis H4 besitzen eine konische Form, bei der die Breiten größer werden, wenn sich die betrachtete Stelle in Richtung nach unten verschiebt. Die seitliche Schnittansicht, geschnitten entlang den Schnittlinien 28-28 in 29, ist in 28 dargestellt, und die seitliche Schnittansicht entlang der Schnittlinie 30-30 ist in 30 gezeigt. Die Querschnitte der konischen Form der Öffnungsbereiche H3 und H4 sind in 30 dargestellt. In 29 bilden die von den vier L-förmigen Öffnungsbereichen H1 bis H4 umfaßten inneren quadratischen Abschnitte einen Oszillator 211, die bezüglich der L-förmigen Öffnungsbereiche H1 bis H4 außenliegende Bereiche bilden einen Trägerrahmen 213 für den Oszillator 211. Der Oszillator 211 ist an vier Abschnitten mit dem Trägerrahmen 213 verbunden. Diese vier Verbindungsabschnitte dienen als Brückenabschnitt 212. In anderen Worten: Der quadratische Oszillator 211 befindet sich in einem hängenden Zustand, aufgehängt an vier Bereichen durch die Brückenabschnitte 212. Darüber hinaus ist gemäß 28 oder 30 der Brückenabschnitt 212 ein Elemente in Form einer sehr dünnen Platte, verglichen mit der ursprünglichen Dicke des ersten Substrats 210, so dass Flexibilität gegeben ist. Aus diesem Grund kann sich der Oszillator 211 mit einem gewissen Freiheitsgrad in einem Zustand bewegen, in welchem er an den Brückenabschnitten 212 hängt. An der Oberseite des Oszillators 211 sind gemäß 29 fünf untere Elektrodenschichten G1 bis G5 ausgebildet. Diese unteren Elektrodenschichten G1 bis G5 haben ähnlich wie die unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 des oben beschriebenen Sensors der ersten Ausführungsform die Funktion, dass der Oszillator 211 in Schwingung versetzt wird, außerdem haben sie die Funktion der Erfassung einer auf den Oszillator 211 ausgeübten Coriolis-Kraft.
  • Ein zweites Substrat 220 fungiert als Sockel zum Abstützen des Umfangsbereichs des ersten Substrats 210. Zu diesem Zweck ist an Bereichen mit Ausnahme des Umfangsbereichs der Oberseite des zweiten Substrats 220 eine Ausnehmung 221 gebildet. Durch Bildung dieser Ausnehmung 221 kann der Oszillator 211 in einem hängenden Zustand verbleiben, ohne dass er in Berührung mit dem zweiten Substrat 220 steht.
  • Ein drittes Substrat 230 dient als Deckel zum Abdecken der Oberseite des ersten Substrats 210. Die Bodenansicht des dritten Substrats 230 ist in 31 dargestellt. Die Unterseite des dritten Substrats 203 ist mit Ausnahme eines schmalen Umfangsbereichs ausgegraben, und auf der tiefergelegten Fläche 231 ist eine obere Elektrodenschicht G0 gebildet. Die obere Elektrodenschicht G0 ist quadratisch und befindet sich in einem Zustand, in welchem sie sämtlichen unteren Elektrodenschichten G1 bis G5 gegenüberliegt, wie dies in 28 oder 30 durch die Schnittansicht dargestellt ist. Diese untere Elektrodenschicht G0 entspricht der gemeinsamen Elektrodenschicht E0 des Sensors nach 27, dargestellt als Modifikation 2 der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform.
  • Diese Sensoren aus drei Substraten eignen sich für die Massenfertigung. Man kann nämlich eine zerspanende Bearbeitung (oder eine chemische Verarbeitung wie z. B. Ätzen und dergleichen) individuell für die einzelnen Substrate ausführen, um die Elektrodenschichten oder Verdrahtungsschichten zu bilden und diese anzuschließen und zu kombinieren. Wenn ein Siliziumsubstrat als erstes Substrat 210 verwendet wird, können die Elektrodenschichten G1 bis G5 durch eine Diffusionsschicht gebildet werden. Weiterhin kann die Elektrodenschicht G0 als unter Vakuum aufgedampfte Schicht aus beispielsweise Aluminium gebildet werden. Auf diese Weise können Elektrodenschichten oder Verdrahtungsschichten durch einen allgemeinen Halbleiter-Planarprozess ausgebildet werden.
  • <2.2> Mechanismus zum Anschwingen des Oszillators
  • Der Sensor dieser Ausführungsform ist der gleiche wie der oben beschriebene Sensor der ersten Ausführungsform insofern, als zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung mit einem vorbestimmten zeitlichen Ablauf an die fünf unteren Elektrodenschichten G1 bis G5 des Oszillators 211 und an die diesen gegenüberliegende obere Elektrodenschicht G0 ein Verfahren verwendet wird, aufgrund des die Möglichkeit besteht, den Oszillator 211 in einer vorbestimmten Richtung zum Schwingen zu bringen. Es sei angemerkt, dass die Anordnung von Elektrodenschichten des Sensors der zweiten Ausführungsform etwas anders ist als diejenige des zuvor beschriebenen Sensors der ersten Ausführungsform. Bei dem Sensor der ersten Ausführungsform sind gemäß 7 die Elektrodenschichten F1, F2 auf der X-Achse und sind die Elektrodenschichten F3, F4 auf der Y-Achse angeordnet. Hingegen sind bei dem Sensor der zweiten Ausführungsform, der im Folgenden beschrieben wird, gemäß 29 die Elektrodenschichten G1 bis G4 nicht sämtlich auf der X-Achse oder der Y-Achse angeordnet. Die Elektrodenschichten G1 bis G5 sind dem ersten bis dem vierten Quadranten der XY-Ebene untergebracht. Aus diesem Grund unterscheidet sich das Verfahren zum Anlegen einer Spannung zwecks Anregung des Oszillators 211 zum Schwingen in einer speziellen Richtung etwas von dem oben beschriebenen Beispiel. Dieses Verfahren zum Anlegen einer Spannung wird im Folgenden aus mehr praktischer Sicht erläutert.
  • Um den Oszillator 211 in Richtung der X-Achse zum Schwingen zu bringen, macht man von folgendem Verfahren Gebrauch: Angenommen, ein Potential an der oberen Elektrodenschicht G0 sei Massepotential und diene als Referenzpotential. Eine vorbestimmte Spannung (z. B. +5 V) werde an die unteren Elektrodenschichten G1 bis G5 gelegt. Wenn Spannungen von +5 V an die beiden unteren Elektrodenschichten G1 und G4 gelegt werden, so ist leicht zu verstehen, dass die Elektrodenschichten G1, G0 und die Elektrodenschichten G4, G0 einer Anziehungskraft ausgesetzt werden. Damit wird der Oszillator 211 in einen Zustand gebracht, in dem eine Versetzung ΔX in positiver Richtung der X-Achse stattfindet. Dann werden die Potentiale an den unteren Elektrodenschichten G1, G4 für eine zweite Zeitspanne auf Referenzpotential gebracht, und es werden Spannungen von +5 V an die beiden unteren Elektrodenschichten G2 und G3 gelegt. Im Ergebnis erleiden die Elektrodenschichten G2, G0 und die Elektrodenschichten G3 und G0 eine Anziehungskraft. Hierdurch wird der Oszillator 211 in einen Zustand gebracht, in dem es eine Verlagerung –ΔX in negative Richtung der X-Achse gibt. Wird eine vorbestimmte Spannung an die Elektrodenschichten in einem vorbestimmten zeitlichen Rahmen gelegt, in welchem diese zwei Zustände abwechselnd wiederholt werden, so kann man den Oszillator 211 in Richtung der X-Achse zum Schwingen bringen.
  • Wenn der Oszillator 211 in Richtung der Y-Achse zum Schwingen gebracht werden soll, wird ein Vorgang durchgeführt, der dem oben beschriebenen Vorgang ähnelt. Wenn Spannungen von +5 V an die beiden unteren Elektrodenschichten G1 und G2 gelegt werden, werden in ersichtlicher Weise zunächst die Elektrodenschichten G1, G0 und die Elektrodenschichten G2, G0 einer Anziehungskraft ausgesetzt. Damit wird der Oszillator 211 in einen Zustand gebracht, in welchem eine Verlagerung ΔY in positiver Richtung der Y-Achse stattfindet. Dann werden die Potentiale der unteren Elektrodenschichten G1, G2 für eine zweite Zeit auf Referenzpotential gebracht, und es werden Spannungen von +5 V an die beiden unteren Elektrodenschichten G3 und G4 gelegt. Im Ergebnis erleiden die Elektrodenschichten G3, G0 und die Elektrodenschichten G4, G0 eine Anziehungskraft. Damit wird der Oszillator 211 in einen Zustand gebracht, in welchem eine Verlagerung –ΔY in negativer Richtung der Y-Ach se erfolgt. Wird eine vorbestimmte Spannung an die jeweiligen Elektrodenschichten in einem vorbestimmten zeitlichen Ablauf angelegt, so können die oben erläuterten beiden Zustände abwechselnd wiederholt werden, und man kann hierdurch den Oszillator 211 in Richtung der Y-Achse zum Schwingen bringen.
  • Um den Oszillator 211 darüber hinaus in Richtung der Z-Achse zum Schwingen zu bringen, reicht es aus, von dem gleichen Verfahren Gebrauch zu machen, wie es oben für den Sensor der ersten Ausführungsform erläutert wurde. Es reicht nämlich aus, wiederholt +5 V an die untere Elektrodenschicht G5 zu legen, oder für eine zweite Zeitspanne eine Spannung von 0 V anzulegen.
  • <2.3> Mechanismus zum Nachweisen der Coriolis-Kraft
  • Bei dem Sensor der zweiten Ausführungsform liegt das Grundprinzip zum Nachweisen einer auf den Oszillator 211 ausgeübten Coriolis-Kraft in der Ausnutzung der Änderung der elektrostatischen Kapazität, ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Sensor der ersten Ausführungsform. Allerdings gibt es einen kleinen Unterschied in der Anordnung der Elektrodenschichten, es gibt einen kleinen Unterschied in der Kombination der Kapazitätselemente, die als Detektorelemente verwendet werden. Die Kombination der Kapazitätselemente oder Kondensatoren wird im Folgenden aus praktischen Gesichtspunkten erläutert. Es wird hier angenommen, dass fünf Sätze von Kapazitätselementen gebildet werden durch Kombination der unteren Elektrodenschichten G1 bis G5 und der oberen Elektrodenschicht G0, zweckmäßigerweise bezeichnet als Kondensatoren C1 bis C5, deren Kapazitätswerte (Kapazitäten) ebenfalls zweckmäßigerweise mit C1 bis C5 bezeichnet werden.
  • Zunächst soll ein Verfahren zum Messen der Coriolis-Kraft Fx untersucht werden, die in Richtung der X-Achse ausgeübt wird. Mit der in 29 gezeigten Elektrodenschichtanordnung läßt sich einfach ausdenken, dass, wenn eine Coriolis-Kraft Fx in positive Richtung der X-Achse auf den Oszillator 211 einwirkt, der Elektrodenschichtabstand zwischen den Kondensatoren C1, C4 klei ner wird und der Elektrodenschichtabstand zwischen den Kondensatoren C2, C3 größer wird. Folglich nehmen die Kapazitäten C1, C4 zu, die Kapazitäten C2, C3 hingegen nehmen ab. Man erhält dann eine Differenz (C1 + C4) – (C2 + C3), und diese Differenz hat einen Wert entsprechend der Coriolis-Kraft Fx.
  • Im Folgenden soll ein Verfahren zum Messen der in Richtung der Y-Achse ausgeübten Coriolis-Kraft Fy erläutert werden. Mit der in 29 gezeigten Elektrodenschichtanordnung wird es leicht vorstellbar, dass, wenn in positiver Richtung der Y-Achse eine Coriolis-Kraft Fy auf den Oszillator 201 einwirkt, der Elektrodenschichtabstand zwischen den Kondensatoren C1 und C2 kleiner wird, während der Elektrodenschichtabstand zwischen den Kondensatoren C3, C4 größer wird. Folglich nehmen die Kapazitäten C1, C2 zu, die Kapazitäten C3, C4 nehmen ab. Wenn man dann eine Differenz (C1 + C2) – (C3 + C4) bildet, so hat diese Differenz einen Wert, der der Coriolis-Kraft Fy entspricht.
  • Ein Verfahren zum Messen einer in Richtung der Z-Achse ausgeübten Coriolis-Kraft Fz ist das Gleiche wie das Meßverfahren, welches oben für den Sensor der ersten Ausführungsform erläutert wurde.
  • Der Kapazitätswert C5 des Kapazitätselements C5 nimmt einen Wert an, welcher der Coriolis-Kraft Fz entspricht.
  • Es sei angemerkt, dass bei dem Sensor dieser Ausführungsform aus dem Grund, dass die selben Elektrodenschichten gleichzeitig sowohl für den Schwingungsmechanismus als auch für den Detektor und Mechanismus verwendet werden, das Erfordernis besteht, dass eine Spannungszuführschaltung zum Erzeugen der Schwingung einerseits und eine Schaltung zum Nachweisen eines mit der Coriolis-Kraft schwankenden Kapazitätswerts andererseits einander nicht stören.
  • <2.4> Modifikation 1
  • Ein Sensor gemäß 32 stellt eine Modifikation des Sensors der zweiten Ausführungsform nach 28 dar. Bei dieser Modifikation ist zusätzlich zu dem ersten Substrat 210, dem zweiten Substrat 220 und dem dritten Substrat 230 ein viertes Substrat 240 vorhanden. Das vierte Substrat 240 wird gebildet von einem Oszillator 241 und einem Sockel 242. Der Oszillator 241 ist ein quadratischer Block in der Draufsicht, und der Sockel 242 ist ein Rahmen, der den Umfang des Oszillators umgibt. Der Oszillator 241 des vierten Substrats ist mit dem Oszillator 211 des ersten Substrats verbunden, und die Oszillatoren 211 und 241 arbeiten gemeinsam als einzelner Oszillator. Durch die Hinzufügung des vierten Substrats 240 in dieser Weise läßt sich die Oszillatormasse erhöhen. Damit kann eine Messung mit höherer Empfindlichkeit stattfinden. Es sei angemerkt, dass bei dieser Modifikation fünf obere Elektrodenschichten G6 bis G10 anstelle einer gemeinsamen oberen Elektrodenschicht G0 gegenüber den fünf unteren Elektrodenschichten G1 bis G5 vorhanden sind.
  • <2.5> Modifikation 2
  • 33 zeigt einen Sensor, der eine weitere Modifikation des Sensors der zweiten Ausführungsform nach 28 darstellt. Das als Zentrum dieses Sensors fungierende Substrat ist ein flexibles Substrat 250. 34 ist eine Draufsicht auf dieses flexible Substrat 250. Wie in der Figur durch gestrichelte Linien angedeutet ist, ist auf der Unterseite des flexiblen Substrats 250 eine Ringnut ausgebildet. Da der Bereich der Nut eine sehr geringe Dicke hat, besitzt er Flexibilität (was in 33 als flexibler Bereich 255 angedeutet ist). Es sei nun angemerkt, dass der von dem ringförmigen flexiblen Bereich 252 umfaßte Abschnitt als Arbeitsteil 251 bezeichnet wird, während der außerhalb des flexiblen Bereichs 252 liegende Bereich als fixierter oder fixer Teil 253 bezeichnet wird. Auf der Unterseite des Arbeitsteils 251 ist ein Oszillator 260 in Blockform fixiert. Weiterhin wird der fixierte Teil 253 von einem Sockel 270 gehalten, und dieser ist auf einem Basissubstrat 280 befestigt. Schließlich ist der Oszillator 260 in nerhalb eines von dem Sockel 270 umschlossenen Raums in einem hängenden Zustand untergebracht. Da der flexible Teil 252 aufgrund seiner geringen Dicke Flexibilität hat, kann der Oszillator 260 mit einem gewissen Freiheitsgrad innerhalb dieses Raums eine Verlagerung ausführen. Weiterhin ist ein Deckelsubstrat 290 am oberen Teil des flexiblen Substrats 250 so befestigt, dass es das Substrat bedeckt und es in einem vorbestimmten Raum eingrenzt.
  • Wie in 34 zu sehen ist, sind fünf untere Elektrodenschichten F1 bis F5 auf der Oberseite des flexiblen Substrats 250 ausgebildet. Diese Elektrodenschichten haben die gleiche Form und die gleiche Anordnung wie die unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 in dem Sensor der ersten Ausführungsform nach 6. Weiterhin ist eine gemeinsame obere Elektrodenschicht E0 gegenüber sämtlichen fünf unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 auf der Unterseite des Deckelsubstrats 290 ausgebildet. Es sei angemerkt, dass, weil die Arbeitsweise dieses Sensors äquivalent zu der derjenigen des in 27 gezeigten Sensors ist, hier auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet wird.
  • §3 Dritte Ausführungsform
  • <3.1> Aufbau des Sensors nach der dritten Ausführungsform
  • Im Folgenden wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor nach der dritten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Während die dritte Ausführungsform die gleiche ist wie die oben beschriebenen Sensoren der ersten und der zweiten Ausführungsform, was den Mechanismus mit Einsatz der Coulomb-Kraft als Schwingungsmechanismus angeht, so ist diese Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass ein Mechanismus mit einem Piezowiderstandselement als Detektormechanismus verwendet wird.
  • 35 ist eine seitliche Schnittansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors nach der dritten Ausführungsform. Dieser Sensor enthält als Hauptbestandteil ein erstes Substrat 310, ein zweites Substrat 320, ein drittes Substrat 330 und ein viertes Substrat 340. Bei dieser Ausführungsform werden das erste und das dritte Substrat 310 und 330 durch ein Siliziumsubstrat gebildet, das zweite und das vierte Substrat 320 und 340 sind ein Glassubstrat. Dieser Aufbau umfasst vier Schichten von Substraten im Wesentlichen so wie bei der in 32 dargestellten Variante der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform. Das erste Substrat 310 ist ein Substrat, das die Rolle als Zentrum dieses Sensors spielt. 36 ist eine Draufsicht auf das erste Substrat 310. Wie in der Figur durch gestrichelte Linien dargestellt ist, ist auf der Unterseite des ersten Substrats 310 eine Ringnut ausgebildet. Da der Bereich, in welchem diese Nut gebildet ist, eine geringe Dicke besitzt, ist er flexibel (was als flexibler Teil 312 in 35 dargestellt ist). Es sei nun angenommen, dass der von dem ringförmigen flexiblen Teil 312 umfasste Innenbereich als Arbeitsteil 311 bezeichnet werde und der äußere Bereich bezüglich des flexiblen Teils 312 als fixer oder fixierter Teil 313 bezeichnet werde. Das zweite Substrat 320 ist mit einem Oszillator oder Schwinger 321 in Blockform und einem Sockel 322 in Form eines Rahmens, der den Umfang des Blocks umgibt, ausgebildet. Der Oszillator 321 ist an der Bodenfläche des Arbeitsteils 311 befestigt. Außerdem ist der Sockel 322 an der Bodenfläche des fixen Teils 313 befestigt.
  • Ein drittes Substrat 330 spielt die Rolle als Basissubstrat zum Abstützen des Sockels 322. Zu diesem Zweck ist in dem Bereich außerhalb des Umfangs der Oberseite des dritten Substrats 330 eine Ausnehmung 331 gebildet. Durch die Ausbildung dieser Ausnehmung 331 ist der Oszillator 321 abgestützt, ohne dass er Berührung mit dem dritten Substrat 330 hat. Schließlich befindet sich der Oszillator 321 in einem hängenden Zustand innerhalb des von dem Sockel 322 umgebenen Bereichs. Da der flexible Teil 312 aufgrund seiner geringen Dicke Flexibilität in dem ersten Substrat 310 hat, kann der Oszillator 321 innerhalb dieses Raums mit einem gewissen Freiheitsgrad eine Bewegung ausführen. Weiterhin ist ein viertes Substrat 340 am oberen Teil des ersten Substrats 310 so angebracht, dass es das erste Substrat mit einem vorbestimmten Zwischenabstand bedeckt.
  • Wie in 36 zu sehen ist, sind fünf untere Elektrodenschichten F1 bis F5 an der Oberseite des ersten Substrats 310 gebildet. Diese Elektrodenschichten sind äquivalent zu den unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 des Sensors der ersten Ausführungsform nach 6. Wie weiter unten noch beschrieben wird, sind mehrere Piezowiderstandselemente R an der Oberseite des ersten Substrats 310 gebildet, und die Form der unteren Elektrodenschichten F1 bis F4 weicht etwas von der Form der unteren Schichten F1 bis F4 des Sensors nach 6 ab, um der Zone auszuweichen, in der diese Piezowiderstandselemente R ausgebildet sind. Weiterhin ist eine gemeinsame obere Elektrodenschicht E0 gegenüber sämtlichen fünf unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 an der Unterseite des vierten Substrats 340 ausgebildet.
  • Bei den Piezowiderstandselementen R handelt es sich jeweils um ein Elemente, welches gebildet wird durch Injizieren von Dotierstoffen an vorbestimmten Stellen der Oberseite des ersten Substrats 310, welches aus Silizium besteht, wobei hierdurch die Eigenschaft erreicht wird, dass der elektrische Widerstand bei Einwirkung von mechanischer Spannung sich ändert. Wie in 36 gezeigt ist, sind insgesamt zwölf Piezowiderstandselemente R, d. h. vier Elemente entlang der X-Achse, vier Elemente entlang der Y-Achse und vier Elemente entlang einer um 45° gegenüber der Y-Achse schräg geneigten Achse angeordnet. Sämtliche Elemente sind auf den flexiblen Teil 312 angeordnet, der eine geringe Dicke besitzt. Wenn eine Durchbiegung in dem flexiblen Bereich stattfindet, weil sich der Oszillator 321 bewegt, ändert sich die Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente entsprechend dieser Durchbiegung. In der seitlichen Schnittansicht der 35 ist die Darstellung dieser Piezowiderstandse lemente R weggelassen, um die Figur nicht zu überlasten. Es sei nun angenommen, dass gemäß 37 diese zwölf Widerstandselemente so angeordnet sind, dass vier von ihnen entlang der X-Achse angeordnet sind, bezeichnet mit Rx1, Rx2, Rx3, Rx4, während vier Widerstandselemente entlang der Y-Achse mit Ry1, Ry2, Ry3, Ry4 bezeichnet sind und vier Widerstandselemente entlang der schrägen Achse mit Rz1, Rz2, Rz3, Rz4 bezeichnet sind.
  • <3.2> Mechanismus zum Anschwingen des Oszillators
  • In diesem Sensor ist der Mechanismus zum Anschwingen des Oszillators 321 in Richtung einer vorbestimmten Achse exakt der gleiche wie bei dem Sensor der ersten Ausführungsform nach 6. Die fünf unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 nach 36 sind vollständig äquivalent zu den fünf unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 nach 7 insofern, als sie die gleiche wesentliche Funktion haben, auch wenn sie in der Form etwas voneinander abweichen. Legt man also eine vorbestimmte Spannung an die fünf unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 und die ihnen gegenüberliegende gemeinsame obere Elektrodenschicht E0 mit einem vorbestimmten zeitliche Ablauf an, so wirkt eine Coulomb'sche Kraft an den beiden Elektrodenschichten, so dass der Oszillator 321 in die Richtung der X-Achse, der Y-Achse oder der Z-Achse innerhalb des dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystems schwingt.
  • <3.3> Mechanismus zum Nachweisen von Coriolis-Kraft
  • Die Besonderheit des Sensors dieser dritten Ausführungsform liegt darin, dass der Nachweis der Coriolis-Kraft mit Hilfe von Piezowiderstandselementen stattfindet. Das Nachweisverfahren wird im Folgenden beschrieben. Wir wollen den Fall betrachten, dass eine Coriolis-Kraft Fx in positiver Richtung der X- Achse an den Oszillator 321 gelangt, wie in 38 dargestellt ist (die Angabe der jeweiligen Elektrodenschichten ist in dieser Figur weggelassen, um die Zeichnung nicht zu überlasten). Wenn die Coriolis-Kraft Fx einwirkt, findet eine Durchbiegung in den flexiblen Teil 312 des ersten Substrats 310 statt. Eine solche Durchbiegung ändert die Widerstandswerte der vier Piezowiderstandselemente Rx1 bis Rx4, die entlang der X-Achse angeordnet sind. Genauer: Die Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente Rx1, Rx3 nehmen zu (was in der Figur durch das Vorzeichen "+" angegeben ist), während die Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente Rx2, Rx4 abnehmen (in der Figur durch das Vorzeichen "–" angegeben). Außerdem ist das Ausmaß der Zunahme/Abnahme proportional zur Stärke der einwirkenden Coriolis-Kraft Fx. Andererseits wird dann, wenn die Coriolis-Kraft –Fx in negativer Richtung der X-Achse angelegt wird, die Beziehung von Zunahme/Abnahme umgekehrt. Wenn also Änderungen der Widerstandswerte der jeweiligen Piezowiderstandselemente erfasst werden, kann man die einwirkende Coriolis-Kraft Fx feststellen.
  • Für die Praxis eignet sich eine Brückenschaltung, wie sie in 39 dargestellt ist, bestehend aus den vier Piezowiderstandselementen Rx1 bis Rx4, um eine vorbestimmte Spannung von einer Spannungsversorgung 350 anzulegen. Eine Brückenspannung Vx wird mit Hilfe eines Spannungsmessers 361 gemessen. In dem Referenzzustand, in welchem keine Coriolis-Kraft einwirkt (dem in 35 bezeichneten Zustand) bedeutet, wenn die Einstellung so erfolgt, dass die Brückenschaltung ausgeglichen ist (d. h. wenn die Brückenspannung Vx Null wird) die von dem Spannungsmesser 361 gemessene Brückenspannung Vx die Coriolis-Kraft Fx.
  • Wenn andererseits Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse einwirkt, finden ähnliche Widerstandswertänderungen bei den vier Piezowiderstandselementen Ry1 bis Ry4 entlang der Y-Achse statt. Wenn folglich eine Brückenschaltung gemäß 40 durch diese vier Piezowiderstandselemente gebildet wird, und eine Spannung mit Hilfe einer Spannungsversorgung 350 angelegt wird, so kennzeichnet eine Brückenspannung Vy, die von einem Spannungsmesser 362 gemessen wird, eine Coriolis-Kraft Fy.
  • Wenn gemäß einem nicht von den Ansprüchen abgedeckten Beispiel die Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse angelegt wird, findet eine Widerstandswertänderung bei den vier Piezowiderstandselementen Rz1 bis Rz4 entlang der schrägen Achse statt. Wenn z. B. Coriolis-Kraft in positiver Richtung der Z-Achse angelegt wird, nehmen die Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente Rz1, Rz4 ab, wohingegen die Widerstandswerte der Elemente Rz2, Rz3 zunehmen. Wenn also eine Brückenschaltung gemäß 41 durch diese vier Piezowiderstandselemente gebildet wird und eine Spannungsversorgung 350 eine vorbestimmte Spannung liefert, so bedeutet eine mit einem Spannungsmesser 363 gemessene Brückenspannung Vz die Coriolis-Kraft Fz.
  • Erfolgt der Nachweis der Coriolis-Kraft unter Verwendung von Piezowiderstandselementen auf diese Weiss, so sind der Mechanismus zum Anschwingen des Oszillators 321 in einer vorbestimmten Achsenrichtung (unter Ausnutzung von Coulomb'scher Kraft zwischen Elektrodenschichten) einerseits und der Mechanismus zum Nachweisen der Coriolis-Kraft andererseits vollständig unabhängig. Damit gibt es keine Möglichkeit, dass diese beiden Mechanismen miteinander kollidieren.
  • <3.4> Modifikation (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt)
  • In dem oben beschriebenen Sensor sind untere Elektrodenschichten F1 bis F4 auf der X-Achse und Y-Achse ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Sensor der ersten Ausführungsform angeordnet. Dem gegenüber können wie bei den Elektrodenschichten G1 bis G4 des Sensors der zweiten Ausführungsform nach 29 die unteren Elektrodenschichten in dem ersten bis vierten Quadranten innerhalb der XY-Ebene angeordnet werden. Außerdem können die vier Piezowiderstandselemente Rz1 bis Rz4 in irgendeiner Achsenrichtung angeordnet werden, beispielsweise können sie entlang der Achse parallel zur X-Achse oder zur Y-Achse angeordnet werden.
  • §4 Vierte Ausführungsform
  • <4.1> Aufbau des Sensors der vierten Ausführungsform
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden beschrieben. Die vierte Ausführungsform betrifft einen Sensor, der piezoelektrische Elemente sowohl für den Schwingungsmechanismus als auch für den Detektormechanismus verwendet.
  • 42 ist eine seitliche Schnittansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors der vierten Ausführungsform. Dieser Sensor hat einen Aufbau, welcher sehr dem Aufbau des Sensors der ersten Ausführungsform nach 6 ähnelt, und er enthält entsprechende Komponenten, wie im Folgenden ausgeführt wird. Grundsätzlich hat dieser Sensor einen solchen Aufbau, dass zwischen einem scheibenförmigen, flexiblen Substrat 410 und einem scheibenförmigen fixierten oder fixen Substrat 420 ein in ähnlicher Weise scheibenförmiges piezoelektrisches Element 430 eingefügt ist. Auf der Unterseite des flexiblen Substrats 410 ist ein säulenförmiger Schwinger oder Oszillator 440 angebracht. Außerdem sind ein äußerer Umfangsbereich des flexiblen Substrats 410 und der äußere Umfangsbereich des fixierten Substrats 420 beide von einem Sensorgehäuse 450 gehaltert. An der Oberseite des piezoelektrischen Elements 430 sind fünf obere Elektrodenschichten E1 bis E5 (nur ein Teil davon ist in 42 zu erkennen) ausgebildet. In ähnlicher Weise sind an seiner Unterseite fünf untere Elek trodenschichten F1 bis F5 (nur ein Teil davon ist zu erkennen) ausgebildet. Die Oberseiten der oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 sind an der Unterseite des fixierten Substrats 420 befestigt, und die Unterseiten der unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 sind an der Oberseite des flexiblen Substrats 410 angebracht. Bei diesem Beispiel besitzt das fixierte Substrat 420 eine ausreichende Starrheit, so dass keine Durchbiegung stattfindet. Andererseits besitzt das flexible Substrat 410 Flexibilität und verhält sich wie eine Membran. Wir wollen nun ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem mit dem Schwerpunkt Null des Oszillators 440 als Ursprung betrachten. Die X-Achse ist in der Figur nach rechts weisend angeordnet, die Z-Achse weist nach oben und die Y-Achse entspricht einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene. 42 ist eine Schnittansicht entlang der XZ-Ebene dieses Sensors. Man beachte, dass Form und Anordnung der oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 und der unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 exakt die gleichen sind wie bei dem Sensor der ersten Ausführungsform nach 6 (vgl. 7 und 8). Außerdem werden bei dieser Ausführungsform das flexible Substrat 410 und das fixierte Substrat 420 beide durch Isolierstoff gebildet. Versucht man, diese Substrate aus leitendem Material wie beispielsweise Metall oder dergleichen herzustellen, so müsste man Isolierschichten zwischen diesen Substraten und den jeweiligen Elektrodenschichten anordnen, damit letztere keinen Kurzschluss untereinander bilden.
  • Grundsätzlich hat ein piezoelektrisches Elemente die Eigenschaft, dass, wenn von außen Druck an das Elemente gelegt wird, innerhalb des piezoelektrischen Elements eine Spannung in einer vorbestimmten Richtung erzeugt wird, während eine zweite Eigenschaft darin besteht, dass bei Anlegen einer Spannung von außen innerhalb des piezoelektrischen Elements umgekehrt zu der obigen Situation ein Druck in einer vorbestimmten Richtung erzeugt wird. Diese beiden Eigenschaften sind also zueinander entgegengesetzt. Die Beziehungen zwischen den Richtungen, in denen Druck/Spannung angelegt wird, und Richtun gen, in denen Spannung/Druck erzeugt wird, sind für die einzelnen piezoelektrischen Elemente typisch. Die Eigenschaft dieser Richtungsabhängigkeit soll hier als "Polarisationscharakteristik" oder ähnlich bezeichnet werden. Das in dem Sensor dieser Ausführungsform verwendete piezoelektrische Element 430 besitzt eine Polarisationscharakteristik, wie sie in den 43(a) und 43(b) dargestellt ist. Betrachtet man die Anordnung aus der Sichtweise der oben erläuterten ersten Eigenschaft, so hat das piezoelektrische Element eine solche Polarisationscharakteristik, dass bei einer Kraft, die das Element in Dickenrichtung ausdehnt, wie in 43(a) gezeigt ist, positive Ladungen und negative Ladungen an der oberen Elektrodenschicht E bzw. an der Seite der unteren Elektrodenschicht F erzeugt werden, wohingegen bei einer Kraft, die das Element in Dickenrichtung zusammenzieht, gemäß 43(b) negative Ladungen und positive Ladungen auf der Seite der oberen Elektrodenschicht E bzw. auf der Seite der unteren Elektrodenschicht F erzeugt werden. Betrachtet man die Anordnung aus der Sicht der zweiten oben erläuterten Eigenschaft, so hat das piezoelektrische Element eine Polarisationscharakteristik, wonach dann, wenn positive Ladungen und negative Ladungen an die Seite der oberen Elektrodenschicht E bzw. die Seite der unteren Elektrodenschicht F geliefert werden, gemäß 43(a) eine Kraft entsteht, welche das Element in Dickenrichtung ausdehnt, während dann, wenn negative Ladungen und positive Ladungen an die Seite der oberen Elektrodenschicht E bzw. die Seite der unteren Elektrodenschicht F gelegt werden, eine Kraft gemäß 43(b) erzeugt wird, die das Element in Dickenrichtung zusammenzieht.
  • <4.2> Mechanismus zum Anschwingen des Oszillators
  • Wir wollen nun untersuchen, welches Phänomen dann anzutreffen ist, wenn Ladungen einer vorbestimmten Polarität zu einer vorbestimmten Elektrodenschicht dieses Sensors geliefert werden. Werden an negative Ladungen und positive Ladungen an die Elektrodenschicht E1 bzw. F1 geliefert, entsteht eine Anziehungskraft in Dickenrichtung in einem Teil des piezoelektrischen Elements 430, der sich zwischen den beiden Elektrodenschichten befindet, bedingt durch die in 43(b) dargestellte Eigenschaft. Wenn andererseits positive Ladungen und negative Ladungen an die Elektrodenschichten E2 bzw. F2 gegeben werden, wird eine Ausdehnungskraft in Dickenrichtung in einem Bereich des piezoelektrischen Elements 430 hervorgerufen, der sich zwischen den beiden Elektrodenschichten befindet, jetzt durch die in 43(a) dargestellte Eigenschaft. Im Ergebnis verformt sich das piezoelektrische Element 430 gemäß 44, und der Oszillator 440 vollzieht eine Verlagerung in positiver Richtung der X-Achse. Dreht man nun die Polarität der an die Elektrodenschichten E1, F1, E2, F2 gegebenen Ladungen um, so dreht sich auch der Ausdehnungs-/Kontraktionszustand des piezoelektrischen Elements 430 um. Damit wird der Oszillator 440 veranlasst, eine Verlagerung in negativer Richtung der X-Achse zu vollziehen. Macht man nun von einem Verfahren Gebrauch, bei dem die Polarität der gelieferten Ladungen umgekehrt wird, so dass die beiden Verlagerungszustände eine nach dem anderen ablaufen, so kann man den Oszillator 440 in Richtung der X-Achse zum Schwingen bringen. In anderen Worten: Der Oszillator 440 vollzieht eine Schwingung Ux bezüglich der Richtung der X-Achse.
  • Eine derartige Ladungszufuhr lässt sich dadurch realisieren, dass man an die einander gegenüberliegenden Elektrodenschichten ein Wechselstromsignal legt. Ein erstes Wechselstromsignal wird an die Elektrodenschichten E1, F1 gelegt, und ein zweites Wechselstromsignal wird an die Elektrodenschichten E2, F2 gelegt. Wenn Signale gleicher Frequenz und entgegengesetzter Phase als das erste bzw. das zweite Wechselstromsignal verwendet werden, kann der Oszillator 440 in Richtung der X-Achse schwingen.
  • Ein Verfahren zum Ausführen einer Schwingung Ui des Oszillators 440 in Richtung der Y-Achse ist exakt das gleiche. Es reicht nämlich aus, ein erstes Wechselstromsignal an die Elektrodenschichten E3, F3 und ein zweites Wechselstromsignal an die Elektrodenschichten E4, F4 zu legen.
  • Es soll nun ein von dem Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedecktes Beispiel eines Verfahrens erläutert werden, welches die Möglichkeit bietet, dass der Oszillator 440 eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse vollzieht. Angenommen, es werden negative und positive Ladungen an die Elektrodenschichten E5 bzw. F5 gegeben, so wird eine Kraft, die ein Zusammenziehen in Dickenrichtung hervorruft, in einem Teil des piezoelektrischen Elements 430 erzeugt, der sich zwischen den Elektrodenschichten befindet. Im Ergebnis verformt sich das piezoelektrische Element 430 gemäß 45, und der Oszillator 440 vollzieht eine Verlagerung in positiver Richtung der Z-Achse. Wenn die an die Elektrodenschichten E5, F5 gelieferten Ladungen mit einer umgekehrten Polarität bereitgestellt werden, wird auch der Ausdehnungs-/Kontraktions-Zustand des piezoelektrischen Elements 430 umgekehrt. Damit wird der Oszillator 440 dazu gebracht, eine Verlagerung in negativer Richtung der Z-Achse zu vollziehen. Wenn die Polarität der gelieferten Ladungen reziprok invertiert wird, so dass diese beiden Verlagerungen nacheinander stattfinden, so kann der Oszillator 440 eine Hubschwingung in Z-Achsen-Richtung vollziehen. In anderen Worten: Der Oszillator kann eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse ausführen. Eine derartige Ladungszufuhr lässt sich realisieren, indem man an die einander gegenüberliegenden Elektrodenschichten E5, F5 ein Wechselstromsignal legt.
  • Wenn gemäß der obigen Erläuterung ein vorbestimmtes Wechselsignal an einen spezifischen Satz von Elektrodenschichten gelegt wird, besteht die Möglichkeit, dass der Oszillator 430 entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse schwingt.
  • <4.3> Mechanismus zum Nachweisen von Coriolis-Kraft
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Nachweisen von Coriolis-Kraft-Komponenten beschrieben, die in axialen Richtungen des Sensors der vierten Ausführungsform ausgeübt werden. Es sei angemerkt, dass zum Einsparen von Papier die 44 und 45, die zur Veranschaulichung des zuvor beschriebenen Verfahrens des Anschwingens des Oszillators verwendet wurden, auch für die Erläuterung des Verfahrens zum Nachweisen von Coriolis-Kraft herangezogen werden.
  • Als erstes soll der Fall betrachtet werden, dass eine Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse an den Oszillator 440 gemäß 44 gelegt wird (da die Messung dieser Coriolis-Kraft Fx in einem Zustand erfolgt, in welchem eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse erfolgt, wird gemäß dem in 5 dargestellten Prinzip angenommen, dass der Oszillator 440 in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene der 44 schwingt, wobei ein solches Schwingungsphänomen in Richtung der Y-Achse aber keinen Einfluss auf die Messung der Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse hat). Durch die Wirkung dieser Coriolis-Kraft Fx erfolgt eine Durchbiegung des die Funktion einer Membran habenden flexiblen Substrats 410, so dass eine Kraft eine Kontraktion in Dickenrichtung in der rechten Hälfte des piezoelektrischen Elements 430 erzeugt wird, außerdem eine Kraft des Ausdehnens in Dickenrichtung auf die linke Hälfte ausgeübt wird. Wenn eine Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse ausgeübt wird, verschiebt sich die Richtung der Achse lediglich um 90°, es zeigt sich aber ein ähnliches Phänomen, wie es oben erläutert wurde.
  • Wenn außerdem bei einem vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckten Beispiel eine Coriolis-Kraft in Richtung der Z-Achse ausgeübt wird, unterliegt das piezoelektrische Element 430 einer Kraft des Zusammenziehens in Dickenrichtung insgesamt, wie in 45 zu sehen ist.
  • Wenn ein Druck gemäß obiger Erläuterung auf das piezoelektrische Element 430 ausgeübt wird, werden Ladungen vorbestimmter Polarität an den jeweiligen Elektrodenschichten gemäß der in den 43(a) und 43(b) erzeugten Eigenschaft gebildet. Wenn also diese so erzeugten Ladungen nachgewiesen werden, kann eine entstehende Coriolis-Kraft gemessen werden. In der Praxis werden Verdrahtungen gemäß den 46 bis 48 an den jeweiligen Elektrodenschichten angebracht, um die Möglichkeit zu erhalten, entstandene Coriolis-Kraft-Komponenten Fx, Fy, Fz zu messen (das Messen der Coriolis-Kraft-Komponente Fz ist nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt). Beispielsweise kann man die Coriolis-Kraft-Komponente Fx in Richtung der X-Achse nachweisen oder messen als Spannungsdifferenz Vx, die zwischen den Anschlüssen Tx1 und Tx2 in 46 erzeugt wird. Es besteht die Möglichkeit, in einfacher Weise den Grund zu verstehen, warum die Polarität von Ladungen eine Rolle spielt, die an den jeweiligen Elektrodenschichten erzeugt werden. Was die Elektrodenschichten E2, F3 angeht, so werden, da ein Teil des piezoelektrischen Elements 430 zwischen diesen Elektroden einer Ausdehnungskraft in Dickenrichtung ausgesetzt ist, positive Ladungen und negative Ladungen an der oberen Elektrodenschicht E2 bzw. der unteren Elektrodenschicht F2 erzeugt, wie in 43(a) zu sehen ist. Andererseits werden bezüglich der Elektrodenschichten E1, F1, weil ein Teil des piezoelektrischen Elements 430 einer Kontraktionskraft in Dickenrichtung ausgesetzt ist, negative Ladungen und positive Ladungen an der oberen Elektrodenschicht E1 bzw. an der unteren Elektrodenschicht F1 erzeugt, wie in 43(b) gezeigt ist.
  • Wenn also eine Verdrahtung gemäß 46 implementiert wird, werden sämtliche positive Ladungen am Anschluss Tx1 und werden sämtliche negative Ladungen am Anschluss Tx2 gesammelt. Damit kennzeichnet eine Potentialdiffe renz Vx an den beiden Anschlüssen eine Coriolis-Kraft Fx. In vollständig der gleichen Weise ist es mit der in 47 dargestellten Verdrahtung an den oberen Elektrodenschichten E3, E4 und den unteren Elektrodenschichten F3, F4 möglich, die Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse nachzuweisen als Potentialdifferenz Vy an den Anschlüssen Ty1 und Ty2.
  • Ferner ist es in einem vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckten Beispiel möglich, eine Coriolis-Kraft Fx in Richtung der Z-Achse zu messen als Potentialdifferenz Vz, die an den Anschlüssen Tz1 und Tz2 gemäß 48 erzeugt wird. Der Grund hierfür lässt sich leicht verstehen, wenn man die Polarität von Ladungen berücksichtigt, die an den jeweiligen Schichten aufgrund einer Durchbiegung entstehen, wie dies in 45 gezeigt ist. Bezüglich der Elektrodenschichten E5, F5 werden, da ein Teil des piezoelektrischen Elements 430 einer Kontraktionskraft in Dickenrichtung ausgesetzt ist, negative Ladungen und positive Ladungen an der oberen Elektrodenschicht E5 bzw. der unteren Elektrodenschicht F5 gemäß 43(b) erzeugt. Wenn man also mit einer Verdrahtung positive Ladungen am Anschluss Tz1 und negative Ladungen am Anschluss Tz2 gemäß 48 sammelt, so kennzeichnet eine Potentialdifferenz Vz an diesen beiden Anschlüssen eine Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse.
  • <4.4> Messen der Winkelgeschwindigkeit
  • Das Ziel des erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensors besteht, wie in §0 erläutert wurde, darin, zum Messen einer Winkelgeschwindigkeit ω um eine erste Achse einen Oszillator in die Lage zu versetzen, eine Schwingung U in einer zweiten Achsenrichtung auszuführen, um eine Coriolis-Kraft F zu messen, die dann in Richtung einer dritten Achse hervorgerufen wird. Wie oben beschrieben wurde, wird bei dem Sensor der vierten Ausführungsform ein Wechselstromsignal an ein vorbestimmtes Paar von Elektrodenschichten ge legt, um dadurch die Möglichkeit zu schaffen, den Oszillator 430 entlang irgendeiner Richtung entsprechend der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse zum Schwingen zu bringen (die Schwingung entlang der Z-Achse wird nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt), um Coriolis-Kraft-Komponenten Fx, Fy bzw. Fz (das Nachweisen der Coriolis-Kraft-Komponente Fz ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) in den jeweiligen Achsenrichtungen zu messen, entstanden zum Zeitpunkt, zu dem die Potentialdifferenzen Vx, Vy und Vz erzeugt werden. Durch das in den 3 bis 5 dargestellte Prinzip ist es also möglich, eine Winkelgeschwindigkeit ω um irgendeine Achse X, Y und Z zu messen (der Nachweis der Winkelgeschwindigkeit ω um die Z-Achse ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt).
  • Es sei angemerkt, dass bei dem Sensor dieser Ausführungsform ein piezoelektrisches Element sowohl für den Schwingungsmechanismus als auch den Nachweismechanismus verwendet wird. In anderen Worten: Die gleiche Elektrodenschicht kann die Rolle des Lieferns von Ladungen zum Erzeugen einer Schwingung (die Rolle des Schwingungsmechanismus) spielen und kann außerdem alternativ die Rolle des Nachweises von Ladungen spielen, die durch Coriolis-Kraft erzeugt werden (die Rolle des Mess- oder Nachweismechanismus). Mit ein und derselben Elektrodenschicht ist es relativ schwierig, dass diese beiden Rollen gleichzeitig übernommen werden. Da allerdings bei diesem Sensor eine Rollenverteilung der jeweiligen Elektrodenschichten in der nachfolgend beschriebenen Weise stattfindet, besteht keine Gefahr, dass die ein und derselben Elektrodenschicht zugewiesenen beiden Rollen gleichzeitig zugewiesen werden.
  • Als vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedecktes Beispiel soll zuerst der Vorgang der Messung der Winkelgeschwindigkeit ω um die X-Achse anhand des in 3 dargestellten Prinzips betrachtet werden. In diesem Fall ist es notwendig, eine in Richtung der Y-Achse erzeugte Coriolis-Kraft Fy zu mes sen, wenn ein Oszillator eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse ausführt. Bei dem in 42 dargestellten Sensor reicht es zum Anschwingen des Oszillators 430 zu einer Schwingung Uz aus, ein Wechselsignal an die Elektrodenschichten E5, F5 zu legen. Um außerdem die auf den Oszillator 430 ausgeübte Coriolis-Kraft Fy zu messen, reicht es aus, Ladungen zu detektieren, die an den Elektrodenschichten E3, F3, E4, F4 erzeugt werden, wie dies in der Schaltungsskizze der 47 dargestellt ist. Die übrigen Elektrodenschichten E1, F1, E2, F2 werden für diesen Messvorgang nicht verwendet.
  • Im Folgenden soll als ein vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedecktes Beispiel der Vorgang des Nachweises der Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse anhand des in 4 dargestellten Prinzips erläutert werden. In diesem Fall besteht die Notwendigkeit, eine Coriolis-Kraft Fz zu messen, die in Richtung der Z-Achse erzeugt wird, wenn ein Oszillator eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse ausführt. Bei dem in 42 dargestellten Sensor reicht es für eine Schwingung Ux des Oszillators 430 aus, Wechselsignale mit entgegengesetzten Phasen an die Elektrodenschichten E1, F1 und an die Elektrodenschichten E2, F2 zu legen. Um eine Coriolis-Kraft Fz zu messen, die auf den Oszillator 430 einwirkt, reicht es aus, Ladungen zu messen, die an den Elektrodenschichten E5, F5 erzeugt werden, wie dies in der Schaltungsskizze nach 48 dargestellt ist. Die übrigen Elektrodenschichten E3, F3, E4, F4 werden für diesen Nachweisvorgang nicht benötigt.
  • Wir wollen schließlich den Vorgang des Nachweises einer Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse anhand des in 5 gezeigten Prinzips betrachten. In diesem Fall ist es notwendig, eine Coriolis-Kraft Fx zu messen, die in Richtung der X-Achse wirkt, wenn ein Oszillator eine Schwingung Uy in Richtung der X-Achse ausführt. Bei dem in 42 gezeigten Sensor reicht es für eine Schwingung Uy des Oszillators 430 aus, Wechselsignale entgegengesetzter Phasen an die Elektrodenschichten E3, F3 und an die Elektrodenschichten E4, F4 zu legen. Um die Coriolis-Kraft Fx zu messen, die auf den Oszillator 430 einwirkt, reicht es aus, Ladungen zu messen, die an den Elektrodenschichten E1, F1, E2, F2 erzeugt werden, wie dies in der Schaltungsskizze der 46 dargestellt ist. Die übrigen Elektrodenschichten E5, F5 werden für diesen Messvorgang nicht benutzt. Man sieht, dass im Fall des Nachweises einer Winkelgeschwindigkeit ωz mit diesem Sensor gemäß obiger Beschreibung die Rollenverteilung bezüglich der jeweiligen Elektrodenschichten in passender Weise derart ausgeführt wird, dass die Messung ohne Behinderung vorgenommen werden kann.
  • Es sei angemerkt, dass man eine Zeitmultiplexverarbeitung, die unten noch erläutert wird, sequentiell durchführen muss, wenn man den Versuch unternimmt, drei Winkelgesc hwindigkeitskomponenten zu messen, da dieser Sensor nicht in der Lage ist, mehrere Winkelgeschwindigkeiten ωx, ωy, ωz gleichzeitig zu erfassen.
  • <4.5> Modifikation 1
  • Bei dem oben beschriebenen Sensor der vierten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, Coriofis-Kraft-Komponenten Fx, Fy, Fz (der Nachweis der Coriolis-Kraft-Komponente Fz ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem zu messen als Potentialdifferenzen Vx, Vy bzw. Vz. Damit erfolgt die Messung der Winkelgeschwindigkeit anhand dieser Potentialdifferenzen. Um allerdings drei Potentialdifferenzen zu messen, muss man mit einer Verdrahtung arbeiten, wie sie in den Schaltungsskizzen der 46 bis 48 für die jeweiligen Elektrodenschichten gezeigt ist. Diese Verdrahtungen sind so beschaffen, dass die oberen Elektrodenschichten und die unteren Elektrodenschichten vermischt sind. Im Fall der Massenproduktion solcher Sensoren ist dementsprechend die Ver drahtung nicht vernachlässigbar im Hinblick auf die Gesamtkosten des Produkts. Bei dieser Modifikation 1 wird die Polarisationscharakteristik eines piezoelektrischen Elements teilweise variiert, um dadurch die Verdrahtung zu vereinfachen und die Herstellungskosten zu senken.
  • Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, piezoelektrische Elemente mit einer beliebigen Polarisationscharakteristik herzustellen, indem man auf die derzeitige Technologie zurückgreift. Beispielsweise besaß das in dem oben beschriebenen Sensor der vierten Ausführungsform verwendete piezoelektrische Element 430 eine Polarisationscharakteristik, wie sie in den 43(a) und 43(b) gezeigt ist. Andererseits ist es möglich, ein piezoelektrisches Element 460 mit einer Polarisationscharakteristik herzustellen, wie sie in den 49(a) und 49(b) gezeigt ist. Diese piezoelektrische Element 460 besitzt eine Polarisationscharakteristik, bei der im Fall einer Kraft des Ausdehnens in Dickenrichtung gemäß 49(a) negative Ladungen und positive Ladungen an der oberen Elektrodenschicht E bzw. der unteren Elektrodenschicht F erzeugt werden, während bei Entstehung einer Kraft zum Zusammenziehen in Dickenrichtung gemäß 49(b) positive Ladungen und negative Ladungen an der oberen Elektrodenschicht E bzw. der unteren Elektrodenschicht F gebildet werden. Es sei nun zur Vereinfachung angenommen, dass die Polarisationscharakteristik gemäß den 43(a) und 43(b) Typ I genannt wird, und die Polarisationscharakteristik gemäß den 49(a) und 49(b) Typ II genannt wird. Das piezoelektrische Element 430 mit der Polarisationscharakteristik des Typs I und das piezoelektrische Element 460 mit der Polarisationscharakteristik des Typs II sind so beschaffen, dass die Vorzeichen von an der Oberflächenseite und der Unterseite erzeugten Ladungen einander entgegengesetzt sind. Man sieht, dass die Einrichtung des piezoelektrischen Elements 430 zu dem piezoelektrischen Element 460 führt und deshalb beide piezoelektrischen Elemente exakt identisch sind, wenn man sie als jeweils einen einzelnen Körper betrachtet. Aus diesem Grund ist es nicht so wichtig, zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen zu unterscheiden. Allerdings können sie in einer Konfiguration eingesetzt werden, bei der ein Teil des einen piezoelektrischen Elements dazu gebracht wird, eine Polarisationscharakteristik vom Typ I anzunehmen, während der andere Teil dazu gebracht wird, eine Polarisationscharakteristik vom Typ II aufzuweisen. Die im Folgenden beschriebene Modifikation ist dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrisches Element, bei dem eine solche örtlich begrenzte Polarisationsverarbeitung implementiert wird, zum Vereinfachen der Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors verwendet wird.
  • Wir wollen im Folgenden ein piezoelektrisches Element 470 betrachten, wie es in 50 dargestellt ist. Dieses piezoelektrische Element 470 ist ein scheibenförmiges Element, welches exakt die gleiche Form hat wie das bei dem oben beschriebenen Sensor nach 22 verwendete piezoelektrische Element 430, bei dem aber die Polarisationscharakteristik sich von derjenigen des piezoelektrischen Elements 430 unterscheidet. Das Element 430 war ein Element, bei dem sämtliche Teile Polarisationscharakteristika vom Typ I hatten, wie oben ausgeführt wurde. Demgegenüber besitzt das piezoelektrische Element 470 eine Polarisationscharakteristik von entweder dem Typ I oder dem Typ II in fünf Zonen A1 bis A5 gemäß 50. Dieses piezoelektrische Element besitzt Polarisationscharakteristik vom Typ I in den Zonen A2, A4 und besitzt eine Polarisationscharakteristik vom Typ II in den Zonen A1, A3 und A5. Bei diesem Beispiel entsprechen Zonen A1 bis A5 denjenigen Zonen, in denen die oberen Elektrodenschichten E1 bis E5 oder die unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 ausgebildet sind. Wir wollen nun betrachten, welche Polaritäten von Ladungen. an den jeweiligen Elektrodenschichten für den Fall erzeugt werden, dass das piezoelektrische Element 470 mit der lokalisierten Polarisationscharakteristik, gemäß 50 anstelle des piezoelektrischen Elements 430 eingesetzt wird. Dabei versteht sich, dass die Polaritäten von Ladungen, die an den oberen Elektrodenschichten E1, E3 und E5 und an den unteren Elektrodenschichten F1, F3 und F5 in der Zone mit der Polarisationscharakteristik vom Typ II erzeugt werden, ge genüber dem Sensor mit dem piezoelektrischen Element 430 umgekehrt sind. Wenn daher die Verdrahtungen gemäß den 51 bis 53 an den jeweiligen Elektrodenschichten angebracht werden, besteht die Möglichkeit, Coriolis-Kraft-Komponenten Fx, Fy, Fz (die Bestimmung der Coriolis-Kraft-Komponente Fz ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) in Form von Potentialdifferenzen Vx, Vy bzw. Vz zu ermitteln. Was zum Beispiel die Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse angeht, so wird die in 46 dargestellte Verdrahtung ersetzt durch die in 51 dargestellte Verdrahtung, da Polaritäten von Ladungen, die an den Elektrodenschichten E1, F1 erzeugt werden, gegenüber dem oben beschriebenen Beispiel umgekehrt sind. In ähnlicher Weise wird bezüglich der Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse eine Ersetzung der Verdrahtung nach 47 durch die Verdrahtung nach 52 vorgenommen, da die Polarität von Ladungen, die an den Elektrodenschichten E3, F3 erzeugt werden, umgekehrt sind. Weiterhin gilt für ein vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedecktes Beispiel bezüglich der Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse, dass die Verdrahtung nach 48 von derjenigen gemäß 53 ersetzt wird, da die Polaritäten von Ladungen an den Elektrodenschichten E5, F5 umgekehrt sind.
  • Man sieht, dass bei Verwendung des piezoelektrischen Elements 470 mit lokalisierten Polarisationscharakteristika die Polarität eines Wechselstromsignals, welches zum Anschwingen des Oszillators 430 angelegt wird, je nach Gegebenheit variiert werden muss. Es versteht sich nämlich, dass dann, wenn das piezoelektrische Element 470 mit einer lokalisierten Polarisationscharakteristik eingesetzt wird und Wechselstromsignale gleicher Phase an die Elektrodenschichten E1, F1 in der Zone A1 und die Elektrodenschichten E2, F2 in der Zone A2 angelegt werden, die Möglichkeit besteht, den Oszillator 430 in Richtung der X-Achse zum Schwingen zu bringen, während dann, wenn Wechselstromsignale gleicher Phase in ähnlicher Weise an die Elektrodenschichten E3, F3 in der Zone A3 und die Elektrodenschichten E4, F4 in der Zone A4 angelegt wer den, die Möglichkeit besteht, den Oszillator 430 in Richtung der Y-Achse zum Schwingen zu bringen.
  • Die in den 51 bis 53 dargestellten Verdrahtungen haben beträchtliche Vorteile bezüglich der Fertigung praxistauglicher Sensoren, verglichen mit den Verdrahtungen nach den 46 bis 48. Die Besonderheit der in den 51 bis 53 dargestellten Verdrahtungen besteht darin, dass selbst dann, wenn eine Coriolis-Kraft in Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse einwirkt (wobei das Einwirken einer Coriolis-Kraft in Richtung der Z-Achse vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt ist), und eine Coriolis-Kraft in positiver Richtung jeder Achse einwirkt, positive Ladungen und negative Ladungen notwendigerweise an der Seite der oberen Elektrodenschicht bzw. der Seite der unteren Elektrodenschicht entstehen. Indem man von dieser Besonderheit Gebrauch macht, lässt sich die Verdrahtung des gesamten Sensors vereinfachen. Es soll z. B. der Fall betrachtet werden, dass Anschlüsse Tx2, Ty2, Tz2 gemäß 51 bis 53 an das Sensorgehäuse 450 angeschlossen sind, damit diese Anschlüsse Referenzpotential (Masse) führen. In diesem Fall werden die fünf unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 in einen Zustand gebracht, in dem sie miteinander leitend verbunden sind. Selbst bei dieser Vorgehensweise wird eine Potentialdifferenz Vx, die eine Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse bedeutet, in Form einer Spannung bezüglich der Masse am Anschluss Tx1 gewonnen, es wird eine Potentialdifferenz Vy, die eine Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse bedeutet, als Spannung gegenüber der Masse am Anschluss Ty1 erhalten, und es wird eine Potentialdifferenz Vz, die eine Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse bedeutet (dies ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) in Form einer Spannung bezüglich der Masse am Anschluss Tz1 erhalten. Folglich arbeitet dieser Sensor ohne jegliche Beeinträchtigung. Da außerdem Verdrahtungen bezüglich der fünf Elektrodenschichten F1 bis F5 miteinander leitend verbunden sind, lässt sich eine sehr einfache Verdrahtung verwenden.
  • <4.6> Modifikation 2
  • In dem Fall, dass das piezoelektrische Element 470 eine lokalisierte Polarisationscharakteristik aufweist, wie sie oben in Verbindung mit Modifikation 1 beschrieben wurde, besteht die Möglichkeit, eine Verdrahtung vorzusehen, die es erlaubt, dass die fünf unteren Elektrodenschichten F1 bis F5 leitend sind. Können sie auf diese Weise leitend sein, besteht keine Notwendigkeit dafür, speziell darauf zu achten, dass diese fünf Elektrodenschichten unabhängige Elektrodenschichten sind. Wie nämlich in der seitlichen Schnittansicht der 54 zu sehen ist, reicht es aus, lediglich eine gemeinsame Elektrodenschicht F0 vorzusehen. Diese gemeinsame untere Elektrodenschicht F0 ist eine einzelne, scheibenförmige Elektrodenschicht und fungiert als einzige Elektrode gegenüber sämtlichen fünf oberen Elektrodenschichten E1 bis E5. Diese Modifikation ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt.
  • <4.7> Modifikation 3
  • Um den Aufbau der oben beschriebenen Ausführungsform zusätzlich zu vereinfachen, reicht es aus, ein flexibles Substrat 480 aus einem leitendem Material (z. B. Metall) anstelle des flexiblen Substrats 410 zu verwenden. Dabei ist es möglich, den Aufbau zu realisieren, bei dem die Unterseite des piezoelektrischen Elements 470 direkt in Berührung steht mit der Oberseite des flexiblen Substrats 480, ohne dass eine spezielle untere Elektrodenschicht F0 verwendet wird, wie aus der seitlichen Schnittansicht der 55 hervorgeht. In diesem Fall fungiert das flexible Substrat 480 selbst als gemeinsame untere Elektrodenschicht F0.
  • Während die untere Elektrodenschichtseite eine gemeinsame einzelne Elektrodenschicht bei den obigen Modifikationen 2 und 3 ist, kann die Seite der oberen Elektrodenschicht entgegengesetzt zu dem oben beschriebenen Fall eine gemeinsame einzelne Elektrodenschicht sein. Diese Modifikation ist ebenso wie diejenige gemäß 56 von dem Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt.
  • <4.8> Weitere Modifikationen
  • Während die oben beschriebenen Sensoren sämtlich ein baulich einzelnes piezoelektrisches Element 430 oder 470 verwenden, können sie auch aus baulich mehreren piezoelektrischen Elementen bestehen. Beispielsweise kann in 50 eine Konfiguration verwendet werden, in der jeweilige Zonen A1 bis A5 durch individuelle piezoelektrische Elemente gebildet sind, wobei insgesamt fünf piezoelektrische Elemente zum Einsatz gelangen. Wie oben angegeben, hängt die Anzahl der verwendeten piezoelektrischen Elemente aus baulicher Hinsicht von einer geeigneten Änderung der Ausgestaltung ab.
  • Während die äußeren Umfangsbereiche der flexiblen Substrate 410, 480 bei dem oben beschriebenen Sensor von dem Sensorgehäuse 450 gelagert werden, besteht keine Notwendigkeit dafür, ein flexibles Substrat an einem Sensorgehäuse zu fixieren. Beispielsweise kann gemäß 56 ein Aufbau verwendet werden, bei dem ein flexibles Substrat 490 mit einem etwas kleineren Durchmesser anstelle des flexiblen Substrats 480 verwendet wird, wobei der Umfang des flexiblen Substrats 490 frei beweglich ist. Die Modifikation nach 56 ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt.
  • §5 Fünfte Ausführungsform
  • <5.1> Aufbau des Sensors der fünften Ausführungsform
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden beschrieben. Die fünfte Ausführungsform betrifft außerdem einen Sensor unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements für sowohl den Schwingungsmechanismus als auch den Detektormechanismus, ähnlich wie bei der oben beschriebenen vierten Ausführungsform.
  • 57 ist eine Draufsicht auf den Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der fünften Ausführungsform. Ein flexibles Substrat 510 ist ein scheibenförmiges Substrat mit Flexibilität, welches als sogenannte Membran arbeitet. An dem flexiblen Substrat 510 ist ein sogenanntes scheibenförmiges (doughnut) piezoelektrisches Element 520 angeordnet. An der Oberseite des piezoelektrischen Elements 520 sind sechzehn obere Elektrodenschichten L1 bis L16 mit den aus der Figur ersichtlichen Formung an den jeweils dargestellten Stellen angeordnet. Außerdem sind auf der Unterseite des piezoelektrischen Elements 520 sechzehn untere Elektrodenschichten M1 bis M16 (in 57 nicht dargestellt) mit exakt der gleichen Form wie die oberen Elektrodenschichten L1 bis L16 an Stellen angeordnet, die den jeweiligen oberen Elektrodenschichten L1 bis L16 gegenüberliegen. 58 ist eine seitliche Schnittansicht dieses Sensors (zur Vermeidung einer Überladung der Figur sind lediglich Querschnittteile bezüglich der jeweiligen Elektrodenschichten dargestellt. Dies gilt auch für die seitlichen Schnittansichten, auf die im Folgenden eingegangen wird).
  • Wie in dieser Figur deutlich zu sehen ist, befindet sich dieses doughnut-förmige und scheibenförmige piezoelektrische Element 520 in einem sog. Sandwich-Zustand, in welchem es zwischen sechzehn oberen Elektrodenschichten L1 bis L16 (nur L1 bis L4 sind in 58 dargestellt) und sechzehn unteren Elektrodenschichten M1 bis M16 liegt (in 58 sind nur M1 bis M4 zu sehen). Die Unterseiten der unteren Elektrodenschichten M1 bis M16 sind an der Oberseite des flexiblen Substrats 510 fixiert. Andererseits ist ein Oszillator 550 an der Unterseite des flexiblen Substrats 510 befestigt, wobei der Umfangsbereich des flexiblen Substrats 510 von dem Sensorgehäuse 560 gelagert wird. Bei dieser Ausführungsform wird das flexible Substrat 510 durch einen Isolierstoff gebildet. Wenn das flexible Substrat 510 aus einem leitenden Material wie z. B. Metall besteht, ist ein Isolierfilm auf seiner Oberseite ausgebildet, um zu verhindern, dass die sechzehn unteren Elektrodenschichten M1 bis M16 kurzgeschlossen werden.
  • Aus Gründen der vereinfachten Darstellung soll ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem betrachtet werden, bei dem die Mittelposition des flexiblen Substrats 510 der Ursprung ist. In 57 ist dementsprechend eine X-Achse in Richtung nach rechts definiert, eine Y-Achse ist in Richtung nach unten definiert, und eine Z-Achse ist in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene definiert. 58 ist eine Querschnittansicht entlang der XZ-Ebene dieses Sensors, wobei das flexible Substrat 510, das piezoelektrische Element 520, die jeweiligen Elektrodenschichten L1 bis L16, M1 bis M16 parallel zur XY-Ebene angeordnet sind (bei der fünften Ausführungsform entspricht wegen der vereinfachten Darstellung die Richtung in der Querschnittansicht nach unten der positiven Richtung der Z-Achse). Wie in 57 zu sehen ist, sind in der XY-Ebene eine W1-Achse und eine W2-Achse in Richtungen definiert, die einen Winkel von 45° gegenüber der X-Achse oder der Y-Achse bilden. Diese W1- und W2-Achsen verlaufen beide durch den Ursprung O. Wird ein derartiges Koordinatensystem definiert, so sind die oberen Elektrodenschichten L1 bis L4 und die unteren Elektrodenschichten M1 bis M4 in Reihenfolge von der negativen Richtung in der positiven Richtung der X-Achse angeordnet, die oberen Elektrodenschichten L5 bis L8 und die unteren Elektrodenschichten M5 bis M8 sind hintereinander von der negativen Richtung zu der positiven Richtung der Y-Achse angeordnet, die oberen Elektrodenschichten L9 bis L12 und die unteren Elektrodenschichten M9 bis M12 sind nacheinander von der negativen Richtung zu der positiven Richtung der W1-Achse angeordnet, und die oberen Elektrodenschichten L13 bis L16 und die unteren Elektrodenschichten M13 bis M16 sind nacheinander von der negativen Richtung zu der positiven Richtung der W2-Achse angeordnet.
  • Wie oben beschrieben, gibt es die Eigenschaft, dass, wenn Elektrodenschichten auf der oberen Seite bzw. der unteren Seite des piezoelektrischen Elements angeordnet sind, um eine vorbestimmte Spannung an ein solches Paar von Elektrodenschichten zu legen, innerhalb des piezoelektrischen Elements ein vorbestimmter Druck erzeugt wird, während dann, wenn eine vorbestimmte Kraft auf das piezoelektrische Element aufgebracht wird, an diesem Paar von Elektrodenschichten eine vorbestimmte Spannung entsteht. Im Hinblick darauf sei nun angenommen, dass sechzehn Sätze lokalisierter Elemente D1 bis D16 durch die oben erläuterten sechzehn oberen Elektrodenschichten L1 bis L16, die oben beschriebenen sechzehn unteren Elektrodenschichten M1 bis M16 und sechzehn Bereiche des zwischen diesen Elektrodenschichten befindlichen piezoelektrischen Element 520 gebildet werden. Beispielsweise wird ein lokalisiertes Element D1 gebildet durch die obere Elektrodenschicht L1, die untere Elektrodenschicht M1 und einen Bereich des dazwischenliegenden piezoelektrischen Elements 520. Schließlich sind sechzehn Sätze lokalisierter Elemente D1 bis D16 so angeordnet, wie dies aus der Draufsicht der 59 ersichtlich ist.
  • Bei diesem Beispiel wird als piezoelektrisches Element 520 dieses Sensors eine piezoelektrische Keramik mit einer Polarisationscharakteristik gemäß 60(a) und 60(b) verwendet. Diese piezoelektrische Keramik hat eine solche Polarisationscharakteristik, dass dann, wenn eine Kraft zum Ausdehnen entlang der XY-Ebene gemäß 60(a) aufgebracht wird, positive Ladungen und negative Ladungen an der Seite der oberen Elektrodenschicht L bzw. der Seite der unteren Elektrodenschicht M erzeugt werden, wohingegen dann, wenn eine Kraft zum Zusammendrücken entlang der XY-Ebene gemäß 60(b) aufgebracht wird, negative und positive Ladungen an der oberen Elektrodenschicht L bzw. der unteren Elektrodenschicht M gebildet werden. Eine solche Polarisationscharakteristik wird folglich als Typ III bezeichnet. Sechzehn Sätze lokalisierter Elemente D1 bis D16 dieses Sensors haben sämtlich ein piezoelektrisches Element mit der Polarisationscharakteristik vom Typ III.
  • <5.2> Mechanismus zum Anschwingen des Oszillators
  • Im Folgenden wollen wir untersuchen, welches Phänomen in Erscheinung tritt, wenn Ladungen vorbestimmter Polarität an ein bestimmtes Paar von Elektrodenschichten dieses Sensors geliefert werden. Es soll der Fall betrachtet werden, dass Ladungen mit Polaritäten gemäß 61 an die jeweiligen Elektrodenschichten geliefert werden, welche vier lokalisierte Elemente D1 bis D4 bilden, die entlang der X-Achse angeordnet sind. Positive Ladungen und negative Ladungen werden an die Elektrodenschichten L1, M2, L3, M4 geliefert, bzw. an Elektrodenschichten M1, L1, M3, L4. Damit expandieren lokalisierte Elemente D1 und D3 entlang der XY-Ebene durch die in 60(a) dargestellte Eigenschaft. Hingegen kontrahieren lokalisierte Elemente D2 und D4 entlang der XY-Ebene durch die in 60(b) dargestellte Eigenschaft. Im Ergebnis wird das flexible Substrat 510 verformt, wie es in 61 gezeigt ist, und der Oszillator 550 erfährt eine Verlagerung in positiver Richtung der X-Achse. Wenn Polaritäten von Ladungen, die an die jeweiligen Elektrodenschichten geliefert werden, umgekehrt werden, dreht sich auch der Expansions-/Kontraktionszustand des piezoelektrischen Elements um. Damit wird der Oszillator 550 veranlasst, eine Verlagerung in negativer Richtung der X-Achse auszuführen. Wenn die Polaritäten von gelieferten Ladungen reziprok umgekehrt werden, so dass nacheinander zwei Verlagerungszustände eintreten, besteht die Möglichkeit, den Oszillator 550 in Richtung der X-Achse zum Schwingen zu bringen. In anderen Worten: Der Oszillator 550 kann eine Schwingung Ux bezüglich der Richtung der X-Achse ausführen.
  • Diese Lieferung von Ladungen lässt sich realisieren von Anlegen eines Wechselsignals an einander gegenüberliegende Elektrodenschichten. Dementsprechend wird ein erstes Wechselsignal an die Elektrodenschichten L1, M1 und an die Elektrodenschichten L3, M3 gelegt, und es wird ein zweites Wechselsignal an die Elektrodenschichten L2, M2 und die Elektrodenschichten L4, M4 gelegt. Werden Signale gleicher Frequenz und entgegengesetzter Phase als erstes bzw. zweites Wechselsignal verwendet, so kann man den Oszillator 550 in Richtung der X-Achse zum Schwingen bringen.
  • Ein Verfahren, mit dem der Oszillator 550 eine Schwingung Uy in Bezug auf die Richtung der Y-Achse ausführt, ist exakt das gleiche, wie es oben erläutert wurde. Es wird nämlich dazu ein erstes Wechselsignal an die Elektrodenschichten L5, M5 und an die Elektrodenschichten L7, M7 gelegt, und es wird ein zweites Wechselsignal an die Elektrodenschichten L6, M6 und die Elektrodenschichten L8, M8 gelegt. Werden Signale gleicher Frequenz und entgegengesetzter Phase als das erste bzw. das zweite Wechselsignal verwendet, so kann man den Oszillator 550 in Richtung der Y-Achse zum Schwingen bringen.
  • Ein vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedecktes Beispiel wird in Verbindung mit einem Verfahren erläutert, welches es dem Oszillator 550 ermöglicht, eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse auszuführen. Hierzu wollen wir nun den Fall betrachten, dass Ladungen mit Polaritäten gemäß 62 an die jeweiligen Elektrodenschichten gegeben werden, die vier lokalisierte Elemente D9 bis D12 bilden, die auf der W1-Achse angeordnet sind. Es werden positive Ladungen und negative Ladungen an die Elektrodenschichten L9, M10, M11, L12 bzw. die Elektrodenschichten M9, L10, L11, M12 gelegt. Damit dehnen sich die lokalisierten Elemente D9 und D12 entlang der XY-Ebene aufgrund der in 60(a) gezeigten Eigenschaft aus. Hingegen ziehen sich lokalisierte Elemente D10 und D11 aufgrund der in 60(b) gezeigten Eigenschaft entlang der XY-Ebene zusammen. Als Folge wird das flexible Substrat 510 gemäß 62 verformt, und der Oszillator 550 wird zu einer Verlagerung in positiver Richtung der Z-Achse veranlasst. Wenn nun die Polaritäten der an die jeweiligen Elektrodenschichten gelieferten Ladungen umgekehrt werden, dreht sich auch der Ausdehnungs-/Kontraktions-Zustand des piezoelektrischen Elements um, so dass der Oszillator 550 zu einer Verlagerung in negativer Richtung der Z-Achse veranlasst wird. Werden die Polaritäten von Ladungen dann wieder umgekehrt, so dass zwei Verlagerungszustände nacheinander ablaufen, kann man den Oszillator 550 in Richtung der Z-Achse zum Schwingen bringen. In anderen Worten: Der Oszillator 550 kann veranlasst werden, eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse auszuführen.
  • Eine solche Zufuhr von Ladungen lässt sich auch dadurch realisieren, dass man ein Wechselsignal an einander gegenüberliegende Elektrodenschichten legt. Es wird ein erstes Wechselsignal an die Elektrodenschichten L9, M9 und die Elektrodenschichten L12, M12 gelegt, und es wird ein zweites Wechselsignal an die Elektrodenschichten L10, M10 und die Elektrodenschichten L11, M11 gelegt. Werden Signale gleicher Frequenz und entgegengesetzter Phase als erstes bzw. zweites Wechselsignal verwendet, so kann der Oszillator 550 in Richtung der Z-Achse schwingen.
  • Wie in 59 gezeigt ist, ist dieser Sensor außerdem mit vier lokalisierten Elementen D13 bis D16 entlang der W2-Achse ausgestattet. Obschon diese vier lokalisierten Elemente nicht notwendigerweise vorhanden sind, können sie zu dem Zweck vorgesehen werden, eine Schwingung in Richtung der Z-Achse stabiler zu machen und in gewissem Maße die Nachweisgenauigkeit der Co riolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse zu steigern, was im Folgenden beschrieben wird (dies ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht umfasst). Diese vier lokalisierten Elemente D13 bis D16 erfüllen exakt die gleichen Funktionen wie die oben angesprochenen vier lokalisierten Elemente D9 bis D12. Wenn nämlich Wechselsignale, wie sie an die lokalisierten Elemente D9 bis D12 geliefert werden, an die lokalisierten Elemente D13 bis D16 gegeben werden, kann man einen Schwingungsvorgang in Richtung der Z-Achse mit Hilfe von acht lokalisierten Elementen D9 bis D16 erreichen. Hierdurch erfolgt ein stabilerer Schwingungsablauf.
  • Wie oben angegeben wurde, kann man den Oszillator 550 entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse zum Schwingen bringen, wenn man ein vorbestimmtes Wechselsignal an spezifische lokalisierte Elemente gibt.
  • <5.3> Mechanismus zum Nachweisen der Coriolis-Kraft
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Nachweisen von Coriolis-Kraft-Komponenten, die in den jeweiligen Achsenrichtungen innerhalb des Sensors der fünften Ausführungsform ausgeübt werden, beschrieben. Angemerkt sei, dass zum Zweck der Papiereinsparung 61 und 62, die zum Erläutern des Verfahrens zum Anschwingen des oben beschriebenen Oszillators verwendet wurden, hier zur Erläuterung des Verfahrens zum Messen dieser Coriolis-Kraft herangezogen werden.
  • Zunächst wollen wir den Fall betrachten, dass die Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse auf den Schwerpunkt G des in 61 gezeigten Oszillators 550 einwirkt (gemäß dem in 5 gezeigten Prinzip soll angenommen werden, dass, weil diese Messung der Coriolis-Kraft Fx in einem Zustand vorgenommen wird, in welchem die Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse erfolgt, der Oszillator 550 in einer Richtung rechtwinklig zur Zeichnungsebene der 61 schwingt, dass aber dieses Schwingungsphänomen in Richtung der Y-Achse nicht die Messung der Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse beeinträchtigt). Durch die Einwirkung dieser Coriolis-Kraft Fx erfolgt eine Durchbiegung in dem flexiblen Substrat 510, welches die Funktion einer Membran hat. Es erfolgt also eine Verformung, wie sie in 61 dargestellt ist. Im Ergebnis dehnen sich lokalisierte Elemente D1, D3, die entlang der X-Achse angeordnet sind, in Richtung der X-Achse aus, und lokalisierte Elemente D2, D4, die in ähnlicher Weise entlang der X-Achse angeordnet sind, ziehen sich in Richtung der X-Achse zusammen. Da das piezoelektrische Element zwischen diesen jeweiligen Elektrodenschichten eine Polarisationscharakteristik besitzt, wie sie in den 60(a) und 60(b) dargestellt ist, werden Ladungen mit einer Polarität, die in 61 durch das Vorzeichen "+" oder "–" mit einem umschließenden Kreis angedeutet sind, in den jeweiligen Elektrodenschichten erzeugt. Wenn außerdem die Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse einwirkt, werden Ladungen vorbestimmter Polaritäten in ähnlicher Weise bezüglich der jeweiligen Elektrodenschichten erzeugt, die die entlang der Y-Achse angeordneten lokalisierten oder örtlichen Elemente D5 bis D8 bilden.
  • Wir wollen nun ein Beispiel, welches nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt ist, betrachten, bei welchem eine Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse einwirkt. In diesem Fall wird das flexible Substrat 510, das die Funktion einer Membran hat, in der in 62 gezeigten Weise verformt, wobei sich lokalisierte Elemente D9, D12 entlang der W1-Achse in Richtung dieser W1-Achse ausdehnen und lokalisierte Elemente D10, D11 entlang der W1-Achse sich in Richtung dieser Achse zusammenziehen. Aus diesem Grund werden Ladungen mit Polaritäten, die in 62 mit dem Vorzeichen "+" oder "–" mit einem umschließenden Kreis angedeutet sind, in den die lokalisierten Elemente D9 bis D12 bildenden Elektrodenschichten erzeugt. In ähnlicher Weise werden Ladungen vorbestimmter Polaritäten auch in den jeweiligen Elektrodenschich ten erzeugt, welche die lokalisierten Elemente D13 bis D16 entlang der W2-Achse bilden.
  • Unter Ausnutzung dieses Phänomens werden Verdrahtungen gemäß den 63 bis 65 für die jeweiligen Elektrodenschichten implementiert, um zu ermöglichen, Coriolis-Kraft-Komponenten Fx, Fy, Fz zu messen, wobei das Messen der Coriolis-Kraft-Komponente Fz vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt ist. Beispielsweise ist es möglich, die Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse zu messen als Spannungsdifferenz Vx, die zwischen den Anschlüssen Tx1 und Tx2 gemäß 63 erzeugt wird. Man kann diesen Grund leicht verstehen, wenn man die Polaritäten von Ladungen berücksichtigt, die durch die Durchbiegung gemäß 61 in den jeweiligen Elektrodenschichten erzeugt werden. Wird eine Drahtung verwendet, wie sie in 63 gezeigt ist, so sammeln sich positive Ladungen sämtlich am Anschluss Tx1, negative Ladungen sammeln sich sämtlich am Anschluss Tx2. Damit gibt es eine Potentialdifferenz Vx an den beiden Anschlüssen, welche kennzeichnend ist für die Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse. In völlig der gleichen Weise wird, wenn eine Verdrahtung gemäß 64 für die die lokalisierten Elemente D5 bis D8 bildenden Elektrodenschichten implementiert wird, die Möglichkeit erhalten, die Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse zu messen als Potentialdifferenz Vy an den Anschlüssen Ty1 und Ty2.
  • Als vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedecktes Beispiel wird, wenn eine Verdrahtung gemäß 65 für die die lokalisierten Elemente D9 bis D16 bildenden Elektrodenschichten implementiert wird, die Möglichkeit erhalten, die Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse zu messen als Spannungsdifferenz Vz an den Anschlüssen Tz1 und Tz2. Man sieht, dass lokalisierte Elemente D13 bis D16 nicht notwendigerweise vorhanden sind, dass aber selbst dann, wenn nur vier lokalisierte Elemente D9 bis D12 verwendet werden, das Messen der Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse möglich ist.
  • <5.4> Messen der Winkelgeschwindigkeit
  • Wie oben ausgeführt wurde, wird bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor nach der fünften Ausführungsform ein Wechselsignal an ein vorbestimmtes Paar lokalisierter Elemente gelegt, um die Möglichkeit zu erhalten, den Oszillator 550 in jeder axialen Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse zum Schwingen zu bringen (wobei der Fall der Z-Achse vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt ist), so dass man die Coriolis-Kraft-Komponenten Fx, Fy, Fz (das Messen der Coriolis-Kraft-Komponente Fz ist vom Schufzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) in den jeweiligen Achsenrichtungen messen kann, wenn diese Kräfte erzeugt werden, und zwar als Potentialdifferenzen Vx, Vy bzw. Vz. Durch das in den 3 bis 5 dargestellte Grundprinzip ist es also möglich, eine Winkelgeschwindigkeit ω um jede der Achsen X (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt), Y (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt) und Z zu messen.
  • Es muss angemerkt werden, dass in dem Sensor der fünften Ausführungsform piezoelektrische Elemente (lokalisierte Elemente) sowohl für den Schwingungsmechanismus als auch für den Detektormechanismus verwendet werden, ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Sensor der vierten Ausführungsform. Im Hinblick darauf soll die Rollenverteilung der jeweiligen lokalisierten oder örtlichen Elemente bei den Detektor- oder Messvorgängen der jeweiligen Winkelgeschwindigkeiten untersucht werden.
  • Als ein Beispiel, welches vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt ist, soll der Betrieb beim Messen der Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse auf der Grundlage des in 3 dargestellten Prinzips betrachtet werden. In diesem Fall besteht die Notwendigkeit, die Coriolis-Kraft Fy zu messen, die in Richtung der Y-Achse erzeugt wird, wenn ein Oszillator zum Ausführen einer Schwingung Zu in Richtung der Z-Achse veranlasst wird. Damit der Oszillator 550 eine Schwingung Uz ausführt, reicht es aus, ein Wechselsignal an entlang der W1-Achse und der W2-Achse angeordnete lokalisierte Elemente D9 bis D16 zu liefern. Um außerdem die Coriolis-Kraft Fy zu messen, die auf den Oszillator 550 einwirkt, reicht es aus, Spannungen zu messen, die an entlang der Y-Achse angeordneten lokalisierten Elementen D5 bis D8 erzeugt wird. Die übrigen lokalisierten Elemente D1 bis D4 werden für diesen Messvorgang nicht benötigt.
  • Im Folgenden soll als ein vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedecktes Beispiel der Betrieb beim Messen der Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse anhand des in 4 gezeigten Prinzips betrachtet werden. Dabei muss man die Coriolis-Kraft Fz messen, die in Richtung der Z-Achse erzeugt wird, wenn ein Oszillator eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse ausführt. Damit der Oszillator 550 eine Schwingung Ux ausführt, reicht es aus, ein Wechselsignal an entlang der X-Achse angeordnete lokalisierte Elemente D1 bis D4 zu geben. Um die Coriolis-Kraft Fz zu messen, die auf den Oszillator 550 einwirkt, genügt es, Spannungen zu messen, die an entlang der W1-Achse und der W2-Achse angeordneten lokalisierten Elemente D9 bis D16 erzeugt werden. Die übrigen lokalisierten Elemente D5 bis D8 werden für diesen Messvorgang nicht benötigt.
  • Schließlich soll der Betrieb des Messens der Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse auf der Grundlage des in 5 dargestellten Prinzips betrachtet werden. In diesem Fall muss man die Coriolis-Kraft Fx messen, die in Richtung der X-Achse erzeugt wird, wenn ein Oszillator zu einer Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse gebracht wird. Damit der Oszillator 550 die Schwingung Uy ausführt, reicht es aus, ein Wechselsignal an entlang der Y-Achse angeordnete lokalisierte Elemente D5 bis D8 anzulegen. Um die Coriolis-Kraft Fx am Oszillator 550 zu messen, reicht es aus, Spannungen zu messen, die an entlang der X-Achse angeordneten lokalisierten Elementen D1 bis D5 erzeugt werden. Die übrigen lokalisierten Elemente D9 bis D16 werden für diesen Messvorgang nicht benötigt.
  • Wie oben beschrieben, erkennt man, dass im Fall des Messens irgendeiner der Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy (der Nachweis der Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt), ωx mit Hilfe dieses Sensors die Rollenverteilung bezüglich der jeweiligen lokalisierten Elemente in passender Weise so erfolgt, dass das Messen ohne Beeinträchtigung stattfindet. Es sei angemerkt, dass, weil der Sensor nicht in der Lage ist, mehrere Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy (das Erfassen der Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt), ωz zur gleichen Zeit zu erfassen, bei dem Versuch zum Messen von drei Winkelgeschwindigkeitskomponenten die Notwendigkeit besteht, eine Zeitmultiplexverarbeitung vorzunehmen, wie sie weiter unten beschrieben wird, um die Messvorgänge einen nach dem anderen durchzuführen.
  • <5.5> Modifikation 1
  • Gemäß dem oben beschriebenen Sensor der fünften Ausführungsform ist es möglich, Coriolis-Kraft-Komponenten Fx, Fy, Fz (das Ermitteln der Coriolis-Kraft-Komponente Fz ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) in einen dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem zu messen als Potentialdifferenzen Vx, Vy bzw. Vz. Weiterhin ist es möglich, die Winkelgeschwindigkeitskomponenten auf der Grundlage dieser Potentialdifferenzen zu messen. Um aber diese Potentialdifferenzen zu erfassen, muss man Verdrahtungen realisieren, wie sie in den Schaltungsskizzen der 63 bis 65 für die jeweiligen Elektrodenschichten dargestellt sind. Diese Verdrahtungen sind so be schaffen, dass obere Elektrodenschichten und untere Elektrodenschichten vermischt werden. Im Fall der Massenfertigung derartiger Sensoren lassen sich also die Kosten für die Verdrahtung nicht vernachlässigen gegenüber den Gesamtkosten des Produkts. Die vorliegende Modifikation 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationscharakteristik des piezoelektrischen Elements teilweise variiert wird, um dadurch die Verdrahtung zu vereinfachen und die Fertigungskosten zu senken.
  • Wie oben ausgeführt, ist es möglich, mit der derzeit verfügbaren Technologie piezoelektrische Elemente zu fertigen, die beliebige Polarisationscharakteristika besitzen. Beispielsweise hatte das bei dem oben beschriebenen Sensor der fünften Ausführungsform verwendete piezoelektrische Element 520 eine Polarisationscharakteristik vom Typ III gemäß 60(a) und 60(b). Hingegen ist es auch möglich, ein piezoelektrisches Element 530 mit einer Polarisationscharakteristik des Typs IV herzustellen, wie sie in den 66(a) und 66(b) gezeigt ist. Es ist nämlich möglich, das piezoelektrische Element 530 mit einer solchen Polarisationscharakteristik zu fertigen, dass bei Krafteinwirkung in einer Richtung, in der eine Ausdehnung entlang der XY-Ebene gemäß 66(a) erfolgt, negative Ladungen und positive Ladungen an der oberen Elektrodenschicht L bzw. an der Seite der unteren Elektrodenschicht M entstehen, während in dem Fall, dass eine Kraft in einer Richtung einwirkt, in der eine Zusammenziehung in der XY-Ebene erfolgt, wie dies in 66(b) gezeigt ist, positive Ladungen und negative Ladungen auf der Seite der oberen Elektrodenschicht L bzw. auf der Seite der unteren Elektrodenschicht M erzeugt werden. Ferner ist es möglich, dass ein Teil des piezoelektrischen Elements eine Polarisationscharakteristik vom Typ III aufweist, während möglicherweise ein anderer Teil eine Polarisationscharakteristik vom Typ IV besitzt. Bei der oben beschriebenen Modifikation wird zur Vereinfachung des Sensoraufbaus ein piezoelektrisches Element verwendet, bei dem eine solche lokalisierte Polarisationsverarbeitung vorgenommen wurde.
  • Wir wollen nun das piezoelektrische Element 540 gemäß 67 betrachten. Das piezoelektrische Element 540 ist ein doughnut- und scheibenförmiges Element, welches in seiner Gesamtheit die gleiche Form hat, wie das piezoelektrische Element 520, das in dem oben beschriebenen Sensor der 57 verwendet wird. Allerdings unterscheidet sich seine Polarisationscharakteristik von derjenigen des piezoelektrischen Elements 520. Letzteres war ein Element, bei dem sämtliche Bereiche eine Polarisationscharakteristik vom Typ III aufweisen, wie es oben erläutert wurde. Demgegenüber besitzt das piezoelektrische Element 540 eine Polarisationscharakteristik von entweder dem Typ III oder dem Typ IV in jeweiligen sechzehn Zonen gemäß 67. Dieses piezoelektrische Element 540 besitzt Polarisationscharakteristika vom Typ III in den Zonen der lokalisierten Elemente D1, D3, D5, D7, D9, D12, D13, D16, und besitzt Polarisationscharakteristika vom Typ IV in den Zonen der lokalisierten Elemente D2, D4, D6, D8, D10, D11, D14, D15 (vgl. 59 und 67).
  • Wenn man nun betrachtet, wie Änderungen von Polaritäten von Ladungen, die an den jeweiligen Elektrodenschichten erzeugt werden, in dem Fall variieren, in welchem das piezoelektrische Element 540 mit der in 67 gezeigten Polarisationscharakteristik anstelle des piezoelektrischen Elements 520 verwendet wird, so erkennt man, dass die an den oberen Elektrodenschichten L2, L4, L6, L8, L10, L11, L14 und L15 bzw. den unteren Elektrodenschichten M2, M4, M6, M8, M10, M11, M14 und M15 erzeugten Ladungen in ihren Polaritäten umgekehrt sind. Wenn z. B. die Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse einwirkt, werden Ladungen mit Polaritäten gemäß 61 in dem oben beschriebenen Sensor gemäß 57 erzeugt, wohingegen Ladungen mit Polaritäten nach 68 in dem Sensor nach dieser Modifikation erzeugt werden.
  • Wenn außerdem eine Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse als von dem Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedecktes Beispiel einwirkt, so werden Ladungen mit Polaritäten gemäß 62 bei dem oben in Verbindung mit 57 beschriebenen Sensor erzeugt, während Ladungen mit Polaritäten nach 69 bei dem Sensor dieser Modifikation erzeugt werden. Wenn daher Verdrahtungen nach den 70 bis 72 für die jeweiligen Elektrodenschichten ausgebildet werden, kann man die Coriolis-Kraft-Komponenten Fx, Fy und Fz (die Ermittlung der Coriolis-Kraft-Komponente Fz ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) als Potentialdifferenz Vx, Vy bzw. Vz messen.
  • Da beispielsweise beim Betrieb zum Erfassen der Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse Polaritäten von Ladungen, die an den Elektrodenschichten L2, M2 und L4, M4 umgekehrt werden, wird die in 63 dargestellte Verdrahtung durch diejenige nach 70 ersetzt. Beim Betrieb zum Nachweisen der Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse wird in ähnlicher Weise die Verdrahtung nach 64 ersetzt durch die Verdrahtung nach 71, weil die Polaritäten von Ladungen, die an den Elektrodenschichten L6, M6 und L8, M8 invertiert sind.
  • Bei einem Beispiel, das vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt ist, wird für den Betrieb zum Messen der Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse die Verdrahtung nach 65 durch diejenige nach 72 ersetzt, da die Polaritäten von an den Elektrodenschichten L10, M10, L11, M11, L14, M14 und L15, M15 erzeugten Ladungen invertiert sind.
  • Man beachte, dass dann, wenn das piezoelektrische Element 540 mit lokalisierter Polarisationscharakteristik eingesetzt wird, ein zum Anschwingen des Oszillators 550 angelegtes Wechselsignal vereinfacht wird. Um nämlich den Oszillator 550 in Richtung der X-Achse zum Schwingen zu bringen, reicht es aus, gleichphasige Wechselsignale an sämtliche lokalisierten Elemente D1 bis D4 gemäß 68 anzulegen. In ähnlicher Weise reicht es im Fall des Anschwingens des Oszillators 550 in Richtung der Y-Achse aus, phasengleiche Wechselsignale an sämtliche lokalisierten Elemente D5 bis D8 zu legen. Außerdem reicht es im Fall es Anschwingens des Oszillators 550 in Richtung der Z-Achse aus, gleichphasige Wechselsignale an sämtliche lokalisierten Elemente D9 bis D16 zu legen.
  • Die in den 70 bis 72 dargestellten Verdrahtungen haben signifikante Vorteile bei der Herstellung praxistauglicher Sensoren, verglichen mit den Verdrahtungen nach den 63 bis 65. Die Besonderheit der Verdrahtung nach den 70 bis 72 liegt darin, dass selbst in dem Fall, dass eine Coriolis-Kraft in Richtung der X-Achse, der Y-Achse oder der Z-Achse (die Einwirkung einer Coriolis-Kraft in Richtung der Z-Achse ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) einwirkt, im Fall der Einwirkung der Coriolis-Kraft in positiver Richtung der betreffenden Achse positive Ladungen und negative Ladungen auf der Seite der oberen Elektrodenschicht bzw. auf der Seite der unteren Elektrodenschicht erzeugt werden müssen. Indem man von dieser Besonderheit Gebrauch macht, kann man die Verdrahtung für den gesamten Sensor vereinfachen. Wir wollen den Fall betrachten, dass z. B. die Anschlüsse Tx2, Ty2, Tz2 in den 70 bis 72 an das Sensorgehäuse 560 angeschlossen sind, so dass dessen Potential als Referenzpotential (Masse) fungiert. In diesem Fall befinden sich die sechzehn unteren Elektrodenschichten M1 bis M16 in einem miteinander leitend verbundenen Zustand. Macht man von diesem Verfahren Gebrauch, erhält man eine für die Coriolis-Kraft Fx in Richtung der X-Achse kennzeichnende Potentialdifferenz Vx als Spannung in Bezug auf Masse am Anschluss Tx1; eine für die Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse maßgebliche Potentialdifferenz Vy als Spannung bezüglich Masse am Anschluss Ty1 und im Fall eines vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckten Beispiels eine Potentialdifferenz Vz, die die Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse angibt, als Spannung in Bezug auf Masse am Anschluss Tz1. Dementsprechend arbeitet dieser Sensor ohne Beeinträchtigung. Da außerdem die Verdrahtung in Bezug auf die sechs unteren Elektrodenschichten M1 bis M16 so durchgeführt wird, dass sie miteinander leitend verbunden sind, kann die Verdrahtung sehr einfach sein.
  • <5.6> Modifikation 2 (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt)
  • Wenn das piezoelektrische Element 540 mit lokalisierter Polarisationscharakteristik wie bei der oben beschriebenen Modifikation 1 verwendet wird, besteht die Möglichkeit, eine Verdrahtung zu verwenden, bei der sechzehn untere Elektrodenschichten M1 bis M16 leitend miteinander verbunden sind. Wie oben angegeben, besteht, wenn untere Elektrodenschichten M1 bis M6 leitend verbunden sein können, keine Notwendigkeit dafür, dass diese sechzehn Elektrodenschichten als unabhängige Elektrodenschichten ausgebildet sind. Wie nämlich in der seitlichen Schnittansicht der 73 gezeigt ist, reicht es aus, eine gemeinsame untere Elektrodenschicht M0 vorzusehen. Diese untere gemeinsame Elektrodenschicht M0 ist eine einzelne, doughnut-förmige und scheibenförmige Elektrodenschicht, die als zusammenhängende Elektrode fungiert, die sämtlichen sechzehn oberen Elektrodenschichten L1 bis L16 gegenübersteht.
  • <5.7> Modifikation 3 (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt)
  • Um den Aufbau der oben erläuterten Modifikation 2 zusätzlich zu vereinfachen, reicht es aus, ein flexibles Substrat 570 zu verwenden, welches aus einem leitenden Material (z. B. Metall) besteht und das flexible Substrat 510 ersetzt. Bei Verwendung eines solchen flexiblen Substrats 570 lässt sich der Aufbau, bei dem die untere Fläche des piezoelektrischen Elements 540 direkt mit der Oberseite des flexiblen Substrats 570 verbunden ist, ohne spezielle untere Elektrodenschicht M0 realisieren, wie aus der seitlichen Schnittansicht der 74 hervorgeht. Dabei fungiert das flexible Substrat 570 selbst als gemeinsame untere Elektrodenschicht M0.
  • Während außerdem die unsere Elektrodenseite bei den oben beschriebenen Modifikationen 2 und 3 als einzelne gemeinsame Elektrodenschicht ausgebildet ist, kann entgegengesetzt dazu die obere Elektrodenschicht als gemeinsame einzelne Elektrodenschicht ausgebildet sein.
  • <5.8> Weitere Modifikationen
  • Während die oben beschriebenen Sensoren sämtlich ein baulich einzelnes piezoelektrisches Element 520 oder 540 verwenden, können sie auch durch mehrere bauliche piezoelektrische Elemente ausgebildet sein. Beispielsweise kann man in 59 eine Konfiguration verwenden, bei der lokalisierte Elemente D1 bis D16 durch getrennte unabhängige piezoelektrische Elemente gebildet sind, also insgesamt durch sechzehn piezoelektrische Elemente. Weiterhin kann von einer Konfiguration Gebrauch gemacht werden, bei der ein lokalisiertes Element in Verbindung mit zwei lokalisierten Elementen in der Weise eingesetzt wird, dass ein einzelnes lokalisiertes Element für lokalisierte Elemente D1, D2 verwendet wird und ein weiteres piezoelektrisches Elemente für lokalisierte Elemente D3, D4 verwendet wird, was insgesamt acht piezoelektrische Elemente ausmacht. Wie oben ausgeführt, ist es eine Frage der geeigneten Entwurfsabwandlung, wie viele piezoelektrische Elemente aus baulicher Hinsicht verwendet werden.
  • §6 Sechste Ausführungsform (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt)
  • <6.1> Prinzip des Sensors der sechsten Ausführungsform
  • Ein mehrachsiger Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der sechsten Ausführungsform wir im Folgenden beschrieben. Es handelt sich um einen Sensor, der eine elektromagnetische Kraft als Schwingungsmechanismus verwendet, und der einen Differentialtransformator als Detektormechanismus verwendet. Zunächst soll dessen Grundprinzip anhand der 75 kurz erläutert werden. Die Lage des Schwerpunkts eines aus magnetischem Material bestehenden Oszillators 610 sei der Ursprung O eines dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystems. Ein Paar Spulen J1, J2, ein Paar Spulen J3, J4 und ein Paar Spulen J5, J6 ist dementsprechend so angeordnet, dass sich der Oszillator 610 zwischen ihnen befindet.
  • Wenn die sechs Spulen in dieser Weise angeordnet sind, kann man den Oszillator 610 aus magnetischem Material beliebig in Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Asche zum Schwingen bringen. Um z. B. eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse zu erzeugen, reicht es aus, einen Strom in wechselnde Richtungen durch die auf der X-Achse angeordneten Spulen J1, J2 zu leiten. Fließt der Strom durch die Spule J1, bewegt sich der Oszillator 610 in positiver Richtung der X-Achse aufgrund der von der Spule J1 erzeugten magnetischen Kraft. Wenn der Strom durch die Spule J2 fließt, bewegt sich der Oszillator 610 in negativer Richtung der X-Achse aufgrund der von der Spule J2 erzeugten magnetischen Kraft. Wenn also der Strom abwechselnd fließt, wird der Oszillator 610 in Richtung der X-Achse hin- und herbewegt. In ähnlicher Weise reicht es zum Erzeugen einer Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse aus, abwechselnd einen Stromfluss in den Spulen J3, J4 zu erzeugen, die auf der Y-Achse liegen. Um eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse zu bewirken, reicht es aus, abwechselnd einen Strom in den auf der Z-Achse angeordneten Spulen J5, J6 fließen zu lassen.
  • Andererseits ist es mit Hilfe der sechs auf diese Weise angeordneten Spulen auch möglich, die Verlagerung des aus magnetischem Material bestehenden Oszillator 610 zu erfassen. Wenn beispielsweise der Oszillator 610 dazu gebracht wird, eine Verlagerung in positiver Richtung der X-Achse auszuführen, so wird der Abstand zwischen dem Oszillator 610 und der Spule J1 größer, und der Abstand zwischen dem Oszillator 610 und der Spule J2 wird kleiner. Wenn eine Änderung des Abstands des magnetischen Materials gegenüber der Spule stattfindet, so geht damit eine Änderung der Induktivität dieser Spule einher. Wenn man also die Induktivitätsänderung der Spule J1 und die der Spule J2 misst, kann man die Verlagerung des Oszillators 610 in Richtung der X-Achse messen. In ähnlicher Weise ist es durch Induktivitätsänderung der Spule J3 und der Spule J4 möglich, eine Verlagerung des Oszillators 610 in Richtung der Y-Achse zu messen. Ferner wird durch Induktivitätsänderung der Spule J5 und der Spule J6 die Möglichkeit erhalten, eine Verlagerung des Oszillators 610 in Richtung der Z-Achse zu messen. Wenn dabei ein Aufbau verwendet wird, bei dem die Versetzung des Oszillators 610 durch Coriolis-Kraft bewirkt wird, kann man Coriolis-Kraft-Komponenten in den jeweiligen Achsenrichtungen messen mit Hilfe von Induktivitätsänderungen der jeweiligen Spulen.
  • Während die Spulen J1 bis J16 beide die Rolle des Anschwingens des Oszillators 610 und die Rolle des Messens der Verlagerung des Oszillators 610 spielen, wie oben ausgeführt wurde, können Spulen zum Anschwingen einerseits und Spulen zum Messen andererseits getrennt vorgesehen sein.
  • <6.2> Aufbau und Arbeitsweise eines praxistauglichen Sensors
  • 76 ist eine seitliche Schnittansicht des tatsächlichen Aufbaus eines Winkelgeschwindigkeitssensors basierend auf dem oben erläuterten Prinzip. Ein säulenförmiger Oszillator 610 aus magnetischem Material wie Eisen und dergleichen ist innerhalb eines Sensorgehäuses 620 aufgenommen. Eine Trennplatte 630 ist mit der Oberseite des Sensorgehäuses 420 verbunden. Eine scheibenförmige Membran 640 ist an der Oberseite der Trennplatte 630 so befestigt, dass sie nach unten weist. Das obere Ende eines Verbindungsstabs 650 ist mit der Mitte dieser Membran gekoppelt. Ein Durchgangsloch ist im mittleren Bereich der Trennplatte 630 ausgebildet. Der Verbindungsstab 650 durchdringt das Verbindungsloch. Der Oszillator 610 ist am unteren Ende des Verbindungsstabs 650 angebracht und hängt an dem Verbindungsstab 650 innerhalb des Sensorgehäuses 620. Ferner ist eine Schutzabdeckung 660 am oberen Teil der Trennplatte 630 befestigt, um die Membran 640 abzudecken.
  • Es sei nun angenommen, dass die Lage des Schwerpunkts des Oszillators 610 den Ursprung bilde, dass die Y-Achse nach rechts weise, dass die Z-Achse nach oben weise, und dass die X-Achse einer Richtung entspreche, die senkrecht zur Zeichnungsebene der 76 verläuft.
  • Im Inneren des Sensorgehäuses 620 sind sechs Spulen J1 bis J6 in der dargestellten Weise angeordnet (wenngleich die Spulen J1, J2 in 76 nicht dargestellt sind, befinden sich diese Spulen auf dieser Seite und auf jener Seite des Oszillators 610). Diese Anordnung ist die gleiche wie die in 75 dargestellte Anordnung.
  • Wie oben ausgeführt, wird ein Strom durch ein vorbestimmtes Spulenpaar geleitet, damit der Oszillator 610 in einer vorbestimmten axialen Richtung an schwingt. Weiterhin wird die Induktivitätsänderung eines vorbestimmten Spulenpaars erfasst, um dadurch Coriolis-Kraft-Komponenten zu messen, die in einer vorbestimmten axialen Richtung wirksam sind. Hierdurch ist es möglich, eine Winkelgeschwindigkeit um eine vorbestimmte Achse anhand des in den 3 bis 5 dargestellten Grundprinzips zu ermitteln.
  • §7 Messvorgang
  • <7.1> Messen von Beschleunigung (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt)
  • Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, die sämtlich auf Winkelsensoren gerichtet sind, haben diese Sensoren tatsächlich eine Doppelfunktion, indem sie nicht nur als Winkelsensor, sondern auch als Beschleunigungssensor arbeiten. Angedeutet ist dies bei dem Sensor der ersten Ausführungsform. 15 ist eine Ansicht zum Erläutern der Arbeitsweise beim Messen der Winkelgeschwindigkeit ωx bezüglich der X-Achse. Um die Winkelgeschwindigkeit ωx zu messen, reicht es aus, die in Richtung der Y-Achse in einem Zustand ausgeübte Coriolis-Kraft Fy zu messen, in welchem der Oszillator 130 eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse ausführt. Der Grund dafür, dass eine solche Coriolis-Kraft Fy in Richtung der Y-Achse entsteht, ist der, dass der Oszillator 130 veranlasst wurde, eine Schwingung in Richtung der Z-Achse in einem Zustand auszuführen, in welchem die Winkelgeschwindigkeit ωx einwirkte. Wenn der Oszillator 130 nicht schwingt, wird keine Coriolis-Kraft Fy erzeugt. Aber selbst wenn der Oszillator 130 nicht schwingt, gibt es Augenblicke, in denen die Kraft Fy den Oszillator 130 in Richtung der Y-Achse bewegt. Dies ist dann der Fall, wenn auf den Oszillator 130 eine Beschleunigung in Richtung der Y-Achse einwirkt. Gemäß der Grundregel der Dynamik wird, wenn eine Beschleunigung auf einen eine Masse besitzenden Körper einwirkt, eine zu der Masse des Körpers proportionale Kraft in der gleichen Richtung wirksam, in der die Beschleunigung wirkt. Wenn also eine Beschleunigung in Richtung der Y-Achse auf den Oszillator 130 einwirkt, wird auf diesen eine Kraft Fy in Richtung der. Y-Achse ausgeübt, deren Betrag proportional zur Masse des Oszillators 130 ist. Diese Kraft, die sich aus der Beschleunigung ergibt, und die Coriolis-Kraft Fy sind ein und die selbe Kraft. Folglich besteht die Möglichkeit, eine Kraft aufgrund einer Beschleunigung mit Hilfe des gleichen Verfahrens zu messen, mit dem auch die Coriolis-Kraft gemessen wurde.
  • Bei den oben erläuterten Sensoren der jeweiligen Ausführungsformen ist eine in einer vorbestimmten axialen Richtung gemessene Kraft eine Coriolis-Kraft, wenn ein Oszillator mit Absicht in eine vorbestimmte axiale Richtung zum Schwingen gebracht wird. Der Betrag dieser Coriolis-Kraft hat einen Wert, der einer Winkelgeschwindigkeit um eine vorbestimmte Achse entspricht. Hingegen ist eine in einer vorbestimmten axialen Richtung gemessene Kraft ohne Schwingen des Oszillators eine auf einer Beschleunigung basierende Kraft, wobei die Beschleunigung in dieser axialen Richtung ausgeübt wird. Der Betrag dieser Kraft hat einen Wert entsprechend der Beschleunigung in der axialen Richtung. Wie oben angegeben wurde, arbeiten, wenn die Messung bei schwingendem Oszillator vorgenommen wird, die oben beschriebenen Sensoren der jeweiligen Ausführungsformen als Winkelsensor, während dann, wenn die Messung bei ruhendem Oszillator vorgenommen wird, die Sensoren als Beschleunigungssensor arbeiten.
  • <7.2> Zeitmultiplex-Messbetrieb (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt)
  • Wie oben beschrieben, dienen die Sensoren sowohl als Winkelgeschwindigkeitssensor als auch als Beschleunigungssensor. Im Hinblick auf diesen Um stand erfolgt in der Praxis ein Zeitmultiplex-Messbetrieb, wie er durch das in 77 dargestellte Flussdiagramm veranschaulicht ist, wodurch die Möglichkeit besteht, eine Messung von sechs Komponenten der Beschleunigung αx in Richtung der X-Achse, der Beschleunigung αy in Richtung der Y-Achse, der Beschleunigung αz in Richtung der Z-Achse, der Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse, der Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse und der Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse vorzunehmen.
  • Als Erstes werden im Schritt S1 Messungen der Beschleunigungen αx, αy, αz in den jeweiligen Richtungen gleichzeitig vorgenommen. Es reicht nämlich aus, eine Messverarbeitung identisch wie beim Messen der Coriolis-Kraft ohne schwingenden Oszillator vorzunehmen. Eine zu dieser Zeit gemessene Kraft ist tatsächlich keine Coriolis-Kraft, jedoch eine Kraft, die auf Beschleunigung beruht. In Bezug auf die Beschleunigung ist es möglich, drei axiale Komponenten gleichzeitig zu erfassen. Dies deshalb, weil keine Notwendigkeit besteht, den Oszillator in Schwingung zu versetzen, keine zugehörigen Elektrodenschichten erforderlich sind, die die Rolle des Schwingungsmechanismus übernehmen, sondern nur Elektrodenschichten vorhanden sein müssen, die die Rolle des Detektormechanismus spielen. Beispielsweise werden zum Messen von Coriolis-Kraft im Fall des Sensors nach der vierten Ausführungsform gemäß 42 Schaltungen ausgebildet, wie sie in den 46 bis 48 gezeigt sind. Erfolgt eine Beschleunigungsmessung, so besteht keine Notwendigkeit dafür, ein Wechselsignal zum Erzeugen einer Schwingung bereitzustellen. Aus diesem Grund ist es überflüssig, ein Wechselsignal an sämtliche Elektrodenschichten E1 bis E5 und F1 bis F5 zu geben, die in diesen Schaltungen gezeigt sind. Folglich bedeuten Potentialdifferenzen Vx, Vy und Vz, die von diesen Schaltungen gemessen werden, Beschleunigungen αx, αy und αz so, wie die Signale vorliegen.
  • Anschließend wird eine Messung der Winkelgeschwindigkeit ωx im Schritt S2 vorgenommen, dann im Schritt S3 eine Messung der Winkelgeschwindigkeit ωy und schließlich im Schritt S4 eine Messung der Winkelgeschwindigkeit ωz. Was die Winkelgeschwindigkeit angeht, so ist es in der bereits erläuterten Weise nicht möglich, die jeweiligen Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen gleichzeitig zu erfassen. Also werden die Messungen der jeweiligen Winkelgeschwindigkeitskomponenten im Zeitmultiplexbetrieb nacheinander vorgenommen.
  • Schließlich geht der Ablauf vom Schritt S5 zurück zum Schritt S1 für einen zweiten Durchlauf. Solange der Meßvorgang kontinuierlich anhält, werden wiederholt ähnliche Abläufe durchgeführt.
  • <7.3> Detektorschaltung
  • Im Folgenden wird der grundlegende Aufbau der Detektorschaltung zum Durchführen einer Zeitmultiplex-Messung gemäß obiger Beschreibung anhand der 78 erläutert. In dieser Figur entspricht der Block 700 den verschiedenen Ausführungsbeispielen von Winkelgeschwindigkeitssensoren, die oben erläutert wurden. Was die Funktion angeht, so ist dieser Block in einer in zwei Abschnitte unterteilten Weise dargestellt, nämlich unterteilt in einen Oszillatorteil 710 und einen Meßteil 720. Der Oszillatorteil 710 ist ein Abschnitt mit der Funktion, einen darin enthaltenen Oszillator in einer vorbestimmten Achsenrichtung zum Schwingen zu bringen. Wenn ein Treibersignal an die mit X, Y und Z bezeichneten Anschlüsse gegeben wird, wird ein Oszillator in die Achsenrichtungen X, Y bzw. Z zum Schwingen gebracht (Schwingungen in Richtung der Z-Achse sind nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt). Außerdem ist der Meßteil 720 ein Teil mit der Funktion der Ausgabe eines Meßsignals, welches die Verlagerung des darin enthaltenen Oszillators angibt. Von den jeweiligen Anschlüssen X, Y und Z in der Figur sind Meßsignale für Verlagerungen in der Richtung der X-, Y- und Z-Achse abnehmbar. Bei einem praxistauglichen Sensor gibt es Fälle, in denen eine Elektrodenschicht sowohl die Funktion des Schwingungsteils 710 als auch die Funktion des Meßteils 720 hat, so dass es schwierig ist, die den Sensor bildenden einzelnen Abschnitte deutlich zu unterscheiden in einen Oszillatorteil 710 oder den Meßteil 720. Aus Zweckmäßigkeitsgründen soll allerdings angenommen werden, dass dieser Sensor durch ein einfaches Modell in Form eines Blocks 700 dargestellt wird, der funktionell zu verstehen ist.
  • Ein Schwingungs- oder Oszillationsgenerator 711 ist eine Schaltung zum Erzeugen eines Treibersignals, welches an die betreffenden Signale X, Y, Z des Oszillatorteils 710 gegeben wird. Praktisch gesehen handelt es sich bei dem Schwingungsgenerator 711 um eine Einheit zum Erzeugen beispielsweise eines Wechselsignals. Ein Multiplexer 712 enthält Schalter SW1, SW2, SW3 und dient zum Steuern eines Treibersignals, welches von dem Schwingungsgenerator 710 erzeugt wird und an einem der Anschlüsse X, Y, Z des Oszillatorteils 710 gegeben wird. Anderseits wird von irgendeinem der Anschlüsse X, Y, Z des Meßteils 710 ein Meßsignal über einen Multiplexer 722 an eine Verlagerungserfassungsschaltung 221 gegeben. Der Multiplexer 722 enthält Schalter SW4, SW5, SW6 und dient zum Auswählen eines Meßsignals, welches an die Verlagerungs-Erfassungsschaltung 722 geliefert wird, die ihrerseits eine aktuelle Verlagerungs-Meßgröße auf der Grundlage des ihr zugeführten Meßsignals bildet, um dann dieses Signal an eine Meßwertausgabeschaltung 730 zu geben. Eine Steuerung 740 steuert den Betrieb der Multiplexer 712, 722 und liefert ein Steuersignal an die Meßwertausgabeschaltung 730.
  • Die Meß- oder Detektorschaltung hat den oben beschriebenen Aufbau. Es sei angemerkt, dass 78 nicht das spezielle Stromlaufdiagramm ist, welches die tatsächlichen Stromverläufe angibt, sondern eine Darstellung ist, welche den grundlegenden Aufbau der Meßschaltung zeigt. Dementsprechend bedeutet eine einzelne in der Figur dargestellte Leitung einen Weg für ein Bündel von Steuer- oder Meßsignalen, bedeutet allerdings nicht den Strompfad selbst. Obschon beispielsweise zwischen dem Schalter SW1 und dem Oszillatorteil 710 nur eine einzige Steuersignalleitung dargestellt ist, muß man zum Bereitstellen eines Wechselsignals mit einer vorbestimmten Phase für mehrere Elektrodenschichten mit dem Zweck, den Oszillator in Richtung der X-Achse zum Schwingen zu bringen, vorsehen. Deshalb sind mehrere Strompfade erforderlich.
  • Wenn eine derartige Meßschaltung aufgebaut wird, wird der in dem Flußdiagramm der 77 dargestellte Meßvorgang folgendermaßen durchgeführt: i Verarbeitung zum Messen von Beschleunigung αx, αy, αz wird durchgeführt, wozu die Steuerung 740 an die Multiplexer 712, 722 ein Hinweissignal liefert, aufgrund dessen die Schalter SW1, SW2, SW3 sämtlich ausgeschaltet werden, wohingegen die Schalter SW4, SW5, SW6 sämtlich eingeschaltet werden. Als Folge davon wird an den Oszillatorteil 710 kein Treibersignal geliefert, so dass keine beabsichtigte Erregung des Oszillators stattfindet. Entsprechend sind an den jeweiligen Anschlüssen X, Y und Z des Meßteils 220 jetzt ausgegebene Meßsignale keine eine Coriolis-Kraft kennzeichnenden Signale, sondern es handelt sich um jeweils ein Signal, welches die Verlagerung angibt, die durch eine Kraft aufgrund einer Beschleunigungswirkung entsteht. Da die Schalter SW4, SW5, SW6 sämtlich eingeschaltet sind, werden drei Signale an die Verlagerungs-Erfassungsschaltung 221 gegeben, wo die Verlagerungssignale in den drei Achsenrichtungen X, Y und Z erfaßt werden. Die Steuerung 740 veranlaßt, dass die Meßwertausgabeschaltung 730 die drei Verlagerungswerte als Beschleunigungswerte ausgibt. Damit werden die Verlagerungswerte in den drei Achsenrichtungen, wie sie von der Verlagerungs-Erfassungsschaltung 721 erfaßt werden, ausgegeben als Beschleunigungwerte αx, αy, αz von der Meßwertausgabeschaltung 730.
  • Anschließend führt die Steuerung 740 eine Verarbeitung zum Messen der Winkelgeschwindigkeit ωx als Verarbeitungsschritt S2 aus. Dazu liefert die Steuerung 740 an die Multiplexer 712, 722 entsprechend dem in 3 dargestellten Prinzip Anweisungen, wonach
    der Schalter SW1 ausgeschaltet wird,
    der Schalter SW2 ausgeschaltet wird,
    der Schalter SW3 eingeschaltet wird,
    der Schalter SW4 ausgeschaltet wird,
    der Schalter SW5 eingeschaltet wird, und
    der Schalter SW6 ausgeschaltet wird.
  • Im Ergebnis ermöglicht der Oszillatorteil 710 dem Oszillator eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt). Der Meßteil 720 gibt über den Anschluss Y ein Meßsignal aus, welches der Verlagerung des Oszillators in Richtung der Y-Achse aufgrund einer dann erzeugten Coriolis-Kraft Fy entspricht. Die Verlagerungs-Erfassungsschaltung 721 erfaßt eine Verlagerungsgröße in Richtung der Y-Achse anhand dieses Detektorsignals. Die Steuerung 740 veranlaßt die Meßwertausgabeschaltung 730 zur Ausgabe der gemessenen Verlagerungsgröße als Wert der Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt). Damit wird die Verlagerungsgröße in Richtung der Y-Achse, wie sie von der Verlagerungs-Erfassungsschaltung 721 erfaßt wird, ausgegeben als Winkelgeschwindigkeit ῶx über die Meßwertausgabeschaltung 730.
  • Dann führt die Steuerung 740 eine Verarbeitung zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit ωy im Schritt S3 durch (vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt). Hierzu liefert die Steuerung 740 an die Multiplexer 712, 722 entsprechend dem in 4 dargestellten Prinzip Anweisungen, um
    den Schalter SW1 einzuschalten,
    den Schalter SW2 auszuschalten,
    den Schalter SW3 auszuschalten,
    den Schalter SW4 auszuschalten,
    den Schalter SW5 auszuschalten und
    den Schalter SW6 einzuschalten.
  • Im Ergebnis ermöglicht der Schwingungsteil 710 dem Oszillator eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse. Der Meßteil 720 gibt ein Meßsignal aus, welches die Verlagerung des Oszillators in Richtung der Z-Achse durch die Einwirkung einer Coriolis-Kraft Fz angibt, die zu dieser Zeit erzeugt wird, wobei die Signalausgabe über den Anschluss Z erfolgt (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt). Die Verlagerungs-Erfassungsschaltung 721 erfaßt das Ausmaß der Verlagerung in Richtung der Z-Achse anhand dieses Meßsignals.
  • Die Steuerung 740 veranlaßt die Meßwertausgabeschaltung 730 zur Ausgabe der Verlagerungsmeßgröße als Wert einer Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse (nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abgedeckt). Damit wird das Ausmaß der Verlagerung in Richtung der Z-Achse an der Verlagerungs-Erfassungsschaltung 721 ausgegeben in Form einer Winkelgeschwindigkeit ωy über die Meßwertausgabeschaltung 730.
  • Dann führt die Steuerung 740 eine Verarbeitung zum Messen der Winkelgeschwindigkeit ωz im Schritt S4 durch. Hierzu liefert die Steuerung 740 an die Multiplexer 712, 722 entsprechend dem in 5 gezeigten Prinzip Anweisungen,
    den Schalter SW1 auszuschalten,
    den Schalter SW2 einzuschalten,
    den Schalter SW3 auszuschalten,
    den Schalter SW4 einzuschalten,
    den Schalter SW5 auszuschalten und
    den Schalter SW6 auszuschalten.
  • Im Ergebnis ermöglicht der Schwingungsteil 710 dem Oszillator eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse. Der Meßteil 720 gibt ein Meß- oder Detektorsignal über den Anschluss X aus, welches die Verlagerung des Oszillators in Richtung der X-Achse aufgrund der jetzt einwirkenden Coriolis-Kraft angibt. Die Verlagerungs-Erfassungsschaltung 721 erfaßt das Ausmaß der Verlagerung in Richtung der X-Achse anhand dieses Detektorsignals. Die Steuerung 740 veranlaßt die Meßwertausgabeschaltung 730 zur Ausgabe der Verlagerungsgröße als Wert der Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse. Damit wird der Wert der Verlagerung in Richtung der X-Achse, der von der Verlagerungs-Erfassungsschaltung 721 erfaßt wird, von der Meßwertausgabeschaltung 730 in Form einer Winkelgeschwindigkeit ωz ausgegeben.
  • Die oben erläuterte Verarbeitung wird über den Schritt S5 wiederholt ausgeführt. Wenn also ein derartiger Sensor in einen sich bewegenden Körper gelagert ist, kann man kontinuierlich Beschleunigungskomponenten in drei Ach senrichtungen und Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen zu einzelnen Zeitpunkten messen.
  • <7.4> Weiteres Meßprinzip für die Winkelgeschwindigkeit
  • Die obere Erläuterung in Verbindung mit dem Messen der Winkelgeschwindigkeit basiert sämtlich auf dem in den 3 bis 5 gezeigten Grundprinzip. Demgegenüber kann eine Messung auch auf dem Grundprinzip erfolgen, welches in den 79 bis 81 dargestellt ist. Im Fall beispielsweise der Messung der Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse (vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) wird gemäß dem Grundprinzip nach 3 eine in Richtung der Y-Achse erzeugte Coriolis-Kraft Fy bei einer Schwingung Uz des Oszillators in Z-Richtung gemessen. Gemäß dem in 79 dargestellten Grundprinzip reicht es aus, die Coriolis-Kraft Fz zu messen, die in Richtung der Z-Achse entsteht, wenn der Oszillator eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse vollzieht. Ähnlich gilt dann, wenn die Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse gemessen werden soll (dies ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt), das gemäß dem in 4 gezeigten Prinzip eine Coriolis-Kraft Fz in Richtung der Z-Achse entsteht, wenn der Oszillator eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse ausführt und dann die Kraft gemessen wird. Gemäß dem in 80 gezeigten Grundprinzip reicht es aus, die Coriolis-Kraft Fx zu messen, die in Richtung der X-Achse wirksam ist, wenn der Oszillator eine Schwingung Uz in Richtung der Z-Achse ausführt. Außerdem wird im Fall des Messens einer Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse gemäß der Erfindung entsprechend dem in 5 gezeigten Grundprinzip eine Coriolis-Kraft Fx gemessen, die in Richtung der X-Achse wirksam ist, wenn der Oszillator eine Schwingung Uy in Richtung der Y-Achse ausführt. Gemäß dem in 81 gezeigten Grundprinzip reicht es aus, die Coriolis-Kraft Fy zu messen, die in Richtung der Y-Achse wirksam ist, wenn der Oszillator eine Schwingung Ux in Richtung der X-Achse macht.
  • Kurz gesagt, nutzt der erfindungsgemäße Geschwindigkeitssensor das Naturgesetz, nach welchem bei einem Oszillator oder Schwinger, der im Ursprung von drei zueinander senkrechten Achsen angeordnet ist, dann, wenn eine Winkelgeschwindigkeit ω um die erste Achse gegeben ist, und wenn eine Schwingung U in Richtung der zweiten Achse vorhanden ist, in Richtung der dritten Achse eine Coriolis-Kraft entsteht. Es kann entweder die Auswahl der Prinzipien gemäß den 3 bis 5 oder die Auswahl der Prinzipien gemäß den 79 bis 81 erfolgen. Folglich ist es möglich, eine Messung vorzunehmen, bei der das Grundprinzip nach den 79 bis 81 angewendet wird, und zwar in Verbindung mit sämtlichen oben beschriebenen Ausführungsformen.
  • <7.5> Messung durch Kombination der Grundprinzipien
  • Wie oben ausgeführt wird, ist es bei der erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitsmessung üblich, eine Meßvorgang sowohl anhand des Grundprinzips der 3 bis 5 als auch anhand des Grundprinzips nach den 79 bis 81 durchzuführen, wobei aber außerdem die Möglichkeit besteht, eine Messung durchzuführen, bei der beide Meßverfahren kombiniert sind. Zum Erleichtern des Verständnisses wird eine Klassifizierung der jeweiligen Grundprinzipien vorgenommen. Man sieht anhand der nachstehenden Tabelle, dass sechs Arten von Meßvorgängen möglich sind.
  • <Tabelle>
    Figure 01020001
  • In der obigen Tabelle bedeutet die Spalte U die axiale Richtung zum Anregen des Oszillators, die Spalte F bedeutet die axiale Richtung zum Messen der auf den Oszillator ausgeübten Coriolis-Kraft, und die Spalte w bedeutet die Achse, bezüglich der die Winkelgeschwindigkeit zu messen ist. Bei der Messung basierend auf dem Grundprinzip nach den 3 bis 5 werden die geradzahligen drei Meßoperationen der obigen Tabelle ausgeführt. Bei der Messung entsprechend dem in den 79 bis 81 dargestellten Grundprinzip werden die ungeradzahligen drei Meßoperationen durchgeführt. Wie bereits angegeben, ist es möglich, Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen XYZ mit Hilfe solcher drei Meßvorgänge zu messen.
  • Die Kombination zum Messen dieser Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen ist nicht beschränkt auf die Kombination von geradzahligen und ungeradzahligen Meßvorgängen. Beispielsweise können Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen X, Y, Z gemessen werden, wenn eine Kombination gemäß der Meßoperationen 1 bis 3 der ersten Hälfte verwendet wird. Das Messen der Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die Achsen X und Y ist vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt. Wenn eine Kombination der Meßvorgänge 4 bis 6 der unteren Hälfte verwendet wird, können Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen X, Y und Z gemessen werden (vgl. Spalte ω der obigen Tabelle). Wenn solche Kombinationen verwendet werden, kann ein Teil des Schwingungsmechanismus und ein Teil des Meßmechanismus weggelassen werden. Um z. B. die Meßvorgänge 1 bis 3 in der obigen Tabelle auszuführen, reicht es aus, wenn als Erregungsachse des Oszillators die X-Achse und die Y-Achse verwendet werden (vgl. Spalte U). In anderen Worten: Es ist nicht notwendig, den Oszillator in Richtung der Z-Achse zum Schwingen zu bringen. Außerdem reicht es aus, für die Achse zum Messen der Coriolis-Kraft nur die Y-Achse und die Z-Achse herzunehmen (vgl. Spalte F). In anderen Worten: Es ist nicht notwendig, die Coriolis-Kraft in Richtung der X-Achse zu messen. Bezüglich des Schwingungsmechanismus reicht es schließlich aus, dem Oszillator eine Schwingung in Richtung von zwei Achsen, nämlich der X-Achse und der Y-Achse zu ermöglichen. Für den Meßmechanismus reicht es aus, eine Messung in die beiden Richtungen der Y-Achse und der Z-Achse zu ermöglichen. Es war die Voraussetzung, dass unterschiedliche Ausführungsformen, die oben erläutert wurden, sämtlich einen Schwingungsmechanismus zum Anschwingen des Oszillators in drei axialen Richtungen X, Y und Z und einen Detektor- oder Meßmechanismus zum Nachweisen von Coriolis-Kraft-Komponenten in drei Achsenrichtungen X, Y und Z enthalten. Durch geeignetes Kombinieren der Grundprinzipien in der hier erläuterten Weise kann aber eine Messung von Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen unter Verwendung eines Schwingungsmechanismus für zwei Achsen und eines Meßmechanismus für zwei Achsen vorgenommen werden.
  • Während die oben beschriebenen Ausführungsformen sämtlich auf einen dreidimensionalen Winkelgeschwindigkeitssensor gerichtet sind, mit dem Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen X, Y, Z gemessen werden, so besteht dann, wenn es ausreicht, lediglich Winkelgeschwindigkeitskomponenten bezüglich zweier Achsen von diesen drei Achsen zu messen, die Möglichkeit, einen zweidimensionalen Winkelgeschwindigkeitssensor zu verwenden, bei dem ein Teil des Schwingungsmechanismus oder Meßmechanismus weggelassen ist. Man beachte beispielsweise nur den Meßvorgang 1 und den Meßvorgang 2 in der obigen Tabelle. Um diese beiden Meßvorgänge durchzuführen, reicht es aus, wenn ein Schwingungsmechanismus für die X-Achse und ein Detektormechanismus für die Y-Achse und die Z-Achse vorhanden sind. Im Ergebnis ist es möglich, die Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse und die Winkelgeschwindigkeit um die Y-Achse zu messen. Folglich läßt sich ein zweidimensionaler Winkelgeschwindigkeitssensor realisieren mit einem Schwingungsmechanismus für nur eine axiale Richtung und einem Meßmechanismus für zwei axiale Richtungen.
  • Darüber hinaus kann die im Folgenden beschriebene Kombination verwendet werden. Es seien lediglich der Meßvorgang 2 und der Meßvorgang 3 in der obigen Tabelle betrachtet. Um diese beiden Meßvorgänge durchzuführen, reicht es aus, wenn ein Schwingungsmechanismus für die X- und die Y-Achse und ein Meßmechanismus für nur die Z-Achse vorhanden sind. Im Ergebnis läßt sich die Winkelgeschwindigkeit um die Y-Achse und die Winkelgeschwindigkeit um die X-Achse messen. Es läßt sich also ein zweidimensionaler Winkelgeschwindigkeitssensor mit dem Schwingungsmechanismus für zwei Achsenrichtungen und dem Meßmechanismus für eine Achse aufbauen.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Ein erfindungsgemäßer Winkelgeschwindigkeitssensor kann unabhängig eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse, eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse (das Messen der Winkelgeschwindigkeiten um die X- und die Y-Achse wird vom Schutzumfang der Ansprüche nicht abgedeckt) und eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse für ein Objekt messen, das sich in einem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem bewegt. Wird also der Sensor in einer Industriemaschine, einem Industrieroboter, einem Kraftfahrzeug, einem Flugzeug oder einem Schift und dergleichen angebracht, so kann dieser Winkelgeschwindigkeitssensor umfangreich als Sensor zum Erkennen des Bewegungszustands oder zur Regelung einer Bewegung eingesetzt werden. Darüber hinaus kann dieser Winkelgeschwindigkeitssensor auch zur Steuerung zum Korrigieren einer unbeabsichtigten Handbewegung bei der Aufnahme mit einer Kamera dienen.

Claims (10)

  1. Winkelgeschwindigkeitssensor zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeitskomponente um eine Achse, umfassend: (a) einen eine Masse aufweisenden Oszillator (130; 260; 321; 440; 450); (b) ein Sensorgehäuse (140; 270, 280; 320, 330; 450; 560), in dem der Oszillator aufgenommen wird; (c) eine Verbindungseinrichtung (110; 250; 310; 410; 480; 510; 570) zum Verbinden des Oszillators mit dem Sensorgehäuse derart, dass der Oszillator mit einem Freiheitsgrad beweglich ist ; (d) eine Anregungseinrichtung (F1, F2; F1a, F2a; D1 bis D4), um den Oszillator mit dem Freiheitsgrad zum Schwingen zu bringen; (e) eine Verlagerungs-Detektoreinrichtung (F3, F4; F3a, F4a; RY1 bis RY4; D5 bis D8) zum Erfassen einer Verlagerung des Oszillators; dadurch gekennzeichnet dass (f) die Verbindungseinrichtung ein einzelnes, flexibles Sustrat (110; 250; 310; 40; 480; 510; 570) mit Flexibilität ist, welches sich entlang einer YX-Ebene in einem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem erstreckt, wobei ein Umfangsbereich des Substrats mit dem Sensorgehäuse (140; 270, 280; 220, 230; 450; 560) verbunden ist; (g) der Oszillator (130; 260; 321; 440; 550) mit dem mittleren Abschnitt des einzelnen Substrats derart verbunden ist, dass der Oszillator bezüglich des Sensorgehäuses mit einem Freiheitsgrad in zumindest der X-Achsen-Richtung und der Y-Achsen-Richtung des Koordinatensystems bewegbar ist; (h) die Anregungseinrichtung (F1, F2; F1a, F2a; D1 bis D4) an einem ersten Teil des Substrats entlang der X-Achsen-Richtung und derart ange ordnet ist, dass der Oszillator um die Richtung der Y-Achse schwingt, um eine Verlagerung in Richtung der X-Achse zu erfahren; und (i) die Verlagerungs-Detektoreinrichtung (F3, F4; F3a, F4a; RY1 bis RY4; D5 bis D8) an einem zweiten Teil des Substrats entlang der Richtung der Y-Achse und derart angeordnet ist, dass sie eine Verlagerung des Oszillators in Richtung der Y-Achse erfasst, um eine Winkelgeschwindigkeitskomponente (ω z) um die Z-Achse anhand der erfassten Verlagerung zu erhalten.
  2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem der Ursprung des Koordinatensystems a) in der Mitte des Substrats (510) oder b) dem Schwerpunkt des Oszillators (130; 321; 440) gelegen ist.
  3. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die Anregungseinrichtung (F1, F2; F1a, F2a; D1 bis D4) und die Verlagerungs-Detektoreinrichtung (F3, F4; F3a, F4a; RY1 bis RY4; D5 bis D8) an Stellen angeordnet sind, die von dem Ursprung des Koordinatensystems den gleichen Abstand haben.
  4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Sensor außerdem aufweist: ein fixiertes Substrat (120; 290; 340), welches an dem Sensorgehäuse (140; 270, 280; 320, 330) oberhalb des flexiblen Substrats (110; 250; 310) fixiert ist, so dass das fixierte Substrat und das flexible Substrat einander mit einem vorbestimmten Abstand gegenüberliegen; und wobei die Anregungseinrichtung ein Kapazitätselement aufweist, bestehend aus einer unteren Elektrode (F1, F2; F1a, F2a) an einer Oberseite des flexi blen Substrats (110; 250; 310) und einer oberen Elektrode (E0; E1, E2; E1a, E2a), die an einer Unterseite des fixierten Substrats (120; 290; 340) vorgesehen ist, so dass der Oszillator (130; 260; 321) aufgrund einer Coulombschen Kraft durch Anlegen eines Wechselsignals an das Kapazitätselement zum Schwingen gebracht wird.
  5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Sensor außerdem aufweist: ein fixiertes Substrat (24), das an dem Sensorgehäuse (54) gegenüber dem flexiblen Substrat (410) fixiert ist; und wobei die Anregungseinrichtung ein piezoelektrisches Element (430) aufweist, das zwischen dem flexiblen Substrat (410) und dem fixierten Substrat (420) angeordnet ist, und welches eine derartige Polarisationscharakteristik besitzt, dass eine mechanische Verformung in Richtung der Z-Achse hervorgerufen wird, wenn ein Wechselsignal angelegt wird, demzufolge der Oszillator durch Anlegen eines Wechselsignals an das piezoelektrische Element zum Schwingen gebracht wird.
  6. Winkeigeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Anregungseinrichtung ein piezoelektrisches Element (520) aufweist, welches an dem flexiblen Substrat (510) vorgesehen ist und eine derartige Polarisationscharakteristik besitzt, dass eine mechanische Verformung in Richtung der X-Achse hervorgerufen wird, wenn ein Wechselsignal angelegt wird, demzufolge der Oszillator (550) durch Anlegen eines Wechselsignals an das piezoelektrische Element zum Schwingen gebracht wird.
  7. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend ein fixiertes Substrat (120; 290; 340), das an dem Sensorgehäuse (140; 270, 280; 320, 330) oberhalb des flexiblen Substrats (110; 250; 310) derart fixiert ist, dass sich das fixierte Substrat und das flexible Substrat mit einem vorbestimmten Abstand gegenüberliegen; und wobei die Verlagerungs-Detektoreinrichtung ein Kapazitätselement aufweist, bestehend aus einer unteren Elektrode (F3, F4; F3a, F4a) an einer Oberseite des flexiblen Substrats (110; 250; 310), und einer oberen Elektrode (E0; E3, E4; E3a, E4a) an einer Unterseite des fixierten Substrats (120; 290; 340), so dass eine Verlagerung des Oszillators (130; 260; 321) anhand eines Kapazitätswerts des Kapazitätselements erfasst wird.
  8. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Sensor außerdem ein fixiertes Substrat (420) aufweist, welches gegenüber dem flexiblen Substrat (410) an dem Sensorgehäuse (450) fixiert ist; und wobei die Verlagerungs-Detektoreinrichtung ein piezoelektrisches Element (430) aufweist, das zwischen dem flexiblen Substrat (410) und dem fixierten Substrat (420) angeordnet ist, und das eine derartige Polarisationscharakteristik besitzt, dass eine Spannung erzeugt wird, wenn eine Kraft in Richtung der Z-Achse aufgebracht wird, so dass eine Verlagerung des Oszillators basierend auf einer in dem piezoelektrischen Element erzeugten Spannung erfasst wird.
  9. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Verlagerungs-Detektoreinrichtung ein piezoelektrisches Element (520) an dem flexiblen Substrat (510) aufweist, wobei das piezoelektrische Element eine derartige Polarisationscharakteristik besitzt, dass eine Spannung erzeugt wird, wenn in Richtung der Y-Achse eine Kraft aufgebracht wird, demzufolge die Verlagerung des Oszillators (550) basierend auf einer in dem piezoelektrischen Element erzeugten Spannung erfasst wird.
  10. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Verlagerungs-Detektoreinrichtung ein Piezowiderstandselement (Ry1 bis Ry4) an dem flexiblen Substrat (310) aufweist, so dass eine Verlagerung des Oszillators basierend auf einem Widerstandswert des Piezowiderstandselements erfasst wird.
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