DE10101561B4

DE10101561B4 - Winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE10101561B4
Application number: DE10101561A
Authority: DE
Inventors: Yoichi Mochida
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-01-16
Also published as: DE10101561A1; JP3666335B2; US6845666B2; JP2001194157A; US20010008087A1

Abstract

Winkelgeschwindigkeitssensor, der folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat (1; 21);
einen Stoßdämpfungsmechanismus (3; 23), der auf dem Substrat (1; 21) angeordnet ist, um einen Stoß, der auf das Substrat (1; 21) ausgeübt wird, zu dämpfen;
einen Oszillator (9; 30), der auf dem Substrat (1; 21) durch zumindest einen Oszillatortragebalken (8; 29) derart getragen ist, daß er in zwei Richtungen (X, Y), die parallel zu dem Substrat und senkrecht zueinander sind, verschiebbar ist;
eine Schwingungserzeugungseinrichtung (13; 34) zum in Schwingung Versetzen des Oszillators (9; 30) in einer Schwingungsrichtung parallel zu einer der zwei Richtungen (X, Y); und
eine Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (14; 38) zum Erfassen einer Verschiebung des Oszillators (9; 30) als einer Winkelgeschwindigkeit, wenn der Oszillator (9; 30) in einer Erfassungsrichtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung verschoben wird,
wobei der Stoßdämpfungsmechanismus (3; 23) einen Stoß auf das Substrat (1; 21) entlang zumindest der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der für die Verwendung geeignet ist, eine Winkelgeschwindigkeit, wie beispielsweise eines Rotors bzw. Drehelements, zu erfassen.

Es ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor im allgemeinen bekannt, der ein Substrat, einen Oszillator bzw. Schwinger, der von dem Substrat über einen Oszillatorhaltebalken in zwei zueinander senkrechte Richtungen verschiebbar gehalten wird, eine Oszillationserzeugungseinrichtung bzw. Schwingungserzeugungseinrichtung, um den Oszillator in eine der zwei Richtungen parallel zu dem Substrat (d. h., eine X-Achsenrichtung oder eine Y-Achsenrichtung) in Schwingung zu versetzen, und eine Winkelgeschwindigkeitsrfassungseinrichtung zum Erfassen der Verschiebung des Oszillators als eine Winkelgeschwindigkeit, wenn der Oszillator in die andere der zwei Richtungen verschoben wird, aufweist (siehe beispielsweise die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 11-325915).

Wenn eine Winkelgeschwindigkeit um eine Z-Achse senkrecht zu den X- und Y-Achsen von außen her angewendet bzw. ausgeübt wird, während eine Schwingung beispielsweise um die X-Achse dem Oszillator bereitgestellt wird, wirkt eine Corioliskraft (Trägheitskraft) auf den Oszillator und bewirkt, daß der Oszillator in der Y-Achsenrichtung verschoben wird. Die Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung erfaßt die Verschiebung des Oszillators in der Y-Achsenrichtung durch die Corioliskraft als Änderungen bezüglich einer Ausgabe oder einer statischen Kapazität eines piezoelektrischen Körpers, usw..

Bei einer herkömmlichen Technik ist ein rahmenförmiges Bauteil, das den Oszillator umgibt, auf dem Substrat vorgesehen, und durch Halten bzw, Tragen des Oszillators mit dem rahmenförmigen Bauteil über einen Oszillatorhaltebalken wird der Effekt auf den Oszillator durch Änderungen bezüglich der Charakteristika des Oszillatorhaltebalkens, usw., aufgrund von Temperaturänderungen verringert, um so den Schwingungszustand zu stabilisieren, wodurch sich eine Verbesserung bezüglich der Erfassungsgenauigkeiten ergibt.

Bei der oben erwähnten herkömmlichen Technik wird durch Halten des Oszillators in einem stabilisierten Schwingungszustand relativ zu der X-Achsenrichtung eine Verschiebung des Oszillators, wenn dieser in der Y-Achsenrichtung durch eine Corioliskraft verschoben wird, als eine Winkelgeschwindigkeit erfaßt.

Es kann jedoch nicht nur eine Winkelgeschwindigkeit von einem daran angebrachten Rotator, usw. ausgeübt werden, sondern es kann auch eine äußere Kraft auf den Rotator ausgeübt werden, oder es kann eine Trägheitskraft aufgrund von Änderungen in der Bewegung darauf ausgeübt werden, nämlich durch einen Schlag bzw. Stoß, der dann über den Oszillatorhaltebalken, usw. auf den Oszillator ausgeübt bzw. angewendet wird.

Wenn in diesem Fall Wellenformen des Stoßes eine Schwingung umfassen, die eine Frequenz nahe einer Resonanzfrequenz des Oszillators hat, kann der Oszillator durch den Stoß ausreichend in Resonanz treten bzw. mitschwingen, so daß der Schwingungszustand instabil wird oder der Oszillator ungeachtet der Corioliskraft in der Erfassungsrichtung verschoben wird.

Deshalb besteht bei der herkömmlichen Technik das Problem, daß bei einem Stoß, der von außen ausgeübt wird, Änderungen bezüglich einer Erfassungsempfindlichkeit für eine Winkelgeschwindigkeit und Fehler bezüglich Erfassungswerten dazu neigen, aufzutreten, wodurch sich eine Verschlechterung der Verläßlichkeit als ein Sensor ergibt.

Ferner ist bei der herkömmlichen Technik das rahmenförmige Bauteil zum Halten des Oszillators auf dem Substrat vorgesehen; jedoch dient das rahmenförmige Bauteil nur dazu, den Effekt durch Temperaturänderungen zu verringern, und es schwächt nicht den Stoß ab, der zu dem Oszillator von dem Substrat her übertragen wird.

Aus der US 6 009 751 A ist bereits ein Coriolis-Schwingungssensor bekannt, der eine Basis, einen Schwingungssensor mit einem Oszillator und eine Mehrzahl von Stoßaufnehmern aufweist, die zwischen einem Rahmen und der Basis angeordnet sind.

In Anbetracht der oben erwähnten Probleme der herkömmlichen Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu schaffen, der in der Lage ist, einen von einem Substrat auf den Oszillator ausgeübten Stoß zu dämpfen bzw. abzuschwächen, um zu verhindern, daß der Stoß auf den Oszillator übertragen wird, so daß die Erfassungsempfindlichkeit und die Erfassungsgenauigkeiten stabilisiert werden können, während die Verläßlichkeit verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt der Winkelgeschwindigkeitssensor folgende Merkmale: ein Substrat; einen Stoßdämpfungsmechanismus, der auf dem Substrat angeordnet ist, um einen Stoß, der auf das Substrat ausgeübt wird, zu dämpfen; einen Oszillator, der unter Verwendung eines Oszilla torhaltebalkens bzw. Oszillatortragebalkens an der Innenseite des Stoßdämpfungsmechanismus in zwei Richtungen verschiebbar gehalten bzw. getragen wird, die parallel zu dem Substrat und senkrecht zueinander verlaufen. Es ist eine Schwingungserzeugungseinrichtung vorgesehen, um den Oszillator in einer Schwingungsrichtung parallel zu einer der zwei Richtungen, nämlich parallel zu dem Substrat, in Schwingung zu versetzen; und es ist eine Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung vorgesehen, um eine Verschiebung des Oszillators als einer Winkelgeschwindigkeit zu erfassen, wenn der Oszillator in einer Erfassungsrichtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung verschoben wird. Der Stoßdämpfungsmechanismus dämpft einen Stoß entlang zumindest der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung, um zu verhindern, daß der Stoß von dem Substrat auf den Oszillator übertragen wird.

Indem der Sensor wie oben beschrieben ausgebildet wird, kann der Oszillator in der Erfassungsrichtung entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit verschoben werden, die auf das Substrat in einem Schwingungszustand in einer von der Schwingungserzeugungseinrichtung vorbestimmten Schwingungsrichtung ausgeübt wird, während die Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung die Verschiebung des Oszillators als die Winkelgeschwindigkeit erfassen kann. Wenn ferner ein Stoß von außen her entlang der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung auf das Substrat ausgeübt wird, wird der Stoß durch den Stoßdämpfungsmechanismus gedämpft bzw. abgeschwächt. Als eine Folge davon kann der Oszillator in einem im Wesentlichen stabilen Schwingungszustand gegenüber einem Stoß gehalten werden, und es kann verhindert werden, daß er durch einen Stoß in der Erfassungsrichtung verschoben wird.

Der Stoßdämpfungsmechanismus kann aus einem Rahmenhaltebalken bzw. Rahmentragebalken, der in dem Substrat vorgesehen ist, und einem Rahmen, der durch den Rahmenhaltebalken an dem Substrat in zumindest entweder der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung verschiebbar gehalten bzw. ge tragen wird, ausgebildet sein, wobei der Oszillator über den Oszillatorhaltebalken bzw. Oszillatortragebalken an dem Rahmen in sowohl der Schwingungsrichtung als auch der Erfassungsrichtung verschiebbar gehalten bzw. getragen wird.

Aufgrund dieser Struktur kann ein Stoß, wenn er von außen her auf das Substrat ausgeübt wird, durch den Rahmenhaltebalken und den Rahmen zur Außenseite des Oszillators gedämpft bzw. abgeschwächt werden, und es kann verhindert werden, daß er auf den Oszillator übertragen wird. Da der Oszillator ferner durch den Oszillatorhaltebalken innerhalb des Rahmens gehalten wird, kann der Oszillator entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit verschoben werden, während er in diesem Zustand schwingt bzw. oszilliert.

Eine Gesamtresonanzfrequenz des Oszillators, des Oszillatorhaltebalkens und des Rahmens kann derart gesetzt bzw. eingestellt werden, daß sie 1/√2 mal größer als oder kleiner als die Oszillatorresonanzfrequenz ist.

Aufgrund dieser Struktur kann es, wenn ein Stoß mit einer Wellenform nahe der Resonanzfrequenz des Oszillators auf das Substrat angewendet bzw. ausgeübt wird, im Wesentlichen verhindert werden, daß der gesamte Rahmenabschnitt einschließlich des Oszillators und des Oszillatorhaltebalkens durch den Stoß in Schwingung versetzt wird, so daß die Stoßwellenform, die einen großen Effekt auf den Oszillator hat, im Wesentlichen gedämpft werden kann.

Ferner kann das Substrat mit einem Halteabschnitt bzw. Trageabschnitt versehen sein, der außerhalb des Rahmens derart angeordnet ist, daß er den Rahmen umgibt, um den Rahmen über den Rahmenhaltebalken zu halten bzw. zu. tragen, und es ist in Dämpfungszwischenraumabschnitt bzw. Dämpfungsabstandsabschnitt, der einen Teil des Stoßdämpfungsmechanismus bildet, zwischen dem Halteabschnitt und dem Rahmen zum Komprimieren von Gas angeordnet, wenn der Rahmen verschoben wird.

Aufgrund dieser Struktur ist Gas, wie Luft, das in einem Gehäuse des Winkelgeschwindigkeitssensors eingeschlossen ist, beispielsweise in den Dämpfungsabstandsabschnitten vorhanden, so daß das Gas eine Dämpfungsfunktion hat. Wenn ein Stoß von außen her auf das Substrat ausgeübt wird, wird der gesamte Rahmenabschnitt einschließlich des Oszillators und des Oszillatorhaltebalkens durch den Stoß in Schwingung versetzt, so daß das Gas innerhalb der Dämpfungsabstandsabschnitte durch den Rahmen oder den Rahmenhaltebalken gegen das Substrat zusammengedrückt bzw. komprimiert wird, und dadurch die Schwingung des Rahmens durch das Gas gedämpft wird.

Der Oszillator kann derart ausgebildet sein, daß er in einer Oszillationsrichtung bzw. Schwingungsrichtung parallel zu dem Substrat und in einer Erfassungsrichtung orthogonal bzw. senkrecht zu dem Substrat verschiebbar ist, und der Stoßdämpfungsmechanismus kann derart ausgebildet sein, daß er einen Stoß in der Schwingungsrichtung dämpft und verhindert, daß der Stoß von dem Substrat auf den Oszillator übertragen wird.

Aufgrund dieser Struktur kann der Oszillator, während er entlang einer Ebene parallel zu dem Substrat in Schwingung versetzt wird, in der Erfassungsrichtung senkrecht zu dieser Ebene entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit verschoben werden, und der Stoßdämpfungsmechanismus kann einen Stoß dämpfen, der auf das Substrat entlang der Schwingungsrichtung ausgeübt wird.

Der Oszillator kann derart ausgebildet sein, daß er in Schwingungs- und Erfassungsrichtungen parallel zu dem Substrat und senkrecht zueinander verschiebbar ist, und der Stoßdämpfungsmechanismus kann derart ausgebildet sein, daß er einen Stoß in zumindest entweder der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung dämpft und verhindert, daß der Stoß von dem Substrat auf den Oszillator übertragen wird.

Aufgrund der Struktur kann der Oszillator, während er entlang einer Ebene parallel zu dem Substrat in Schwingung versetzt wird, in der Erfassungsrichtung entlang der Ebene entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit verschoben werden, und der Stoßdämpfungsmechanismus kann einen Stoß dämpfen, der auf das Substrat entlang zumindest der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung ausgeübt wird.

Ferner können der Oszillator, der Oszillatorhaltebalken und der Stoßdämpfungsmechanismus einheitlich durch ein einkristallines oder polykristallines Siliziummaterial mit einem geringen Widerstand ausgebildet werden.

Aufgrund der Struktur kann durch Mikroprägen ("microembossing"), wie Ätzen, eines einkristallinen oder polykristallinen Siliziummaterials der Oszillator, der Oszillatorhaltebalken und der Stoßdämpfungsmechanismus gleichzeitig und effizient ausgebildet werden.

Zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung sind in den Zeichnungen verschiedene Formen gezeigt, die derzeit bevorzugt sind, wobei es jedoch ersichtlich sein sollte, daß die Erfindung nicht auf die genauen gezeigten Anordnungen und Instrumentarien beschränkt sein soll.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die weitere Merkmale, Elemente, Charakteristika und Vorteile der Erfindung darstellen, werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine längsgeschnittene Ansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors bei der Linie II-II, betrachtet in der Pfeilrichtung in 1;
3 eine schematische Darstellung, die ein dynamisches Modell eines Substrats und eines Gesamtmassenabschnitts zeigt;
4 ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen einem Frequenzverhältnis entsprechend einer Frequenz einer Stoßwellenform und einem Amplitudenverhältnis entsprechend einer Amplitude des Gesamtmassenabschnitts darstellt;
5 eine Draufsicht auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine längsgeschnittene Ansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors bei der Linie VI-VI betrachtet in der Pfeilrichtung in 5.
Im folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlicher mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezug auf die 1 bis 6 ausführlich beschrieben.
Die 1 bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Bezugszeichen 1 ein rechteckiges Substrat bezeichnet, das einen Körper eines Winkelgeschwindigkeitssensors bildet und aus einem Siliziummaterial mit einem hohen Widerstand, einem Glasmaterial, oder dergleichen hergestellt ist.
Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Trageabschnitt bzw. Halteabschnitt, der fest an dem Substrat 1 angebracht ist. Der Halteabschnitt 2 ist aus einem rechteckigen Rahmen ausgebildet, der einen inneren Rahmen 6 und einen Oszillator 9, die später beschrieben werden, usw. umgibt.
Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Stoßdämpfungsmechanismus, der zwischen dem Halteabschnitt 2 und dem Oszillator 9 angeordnet ist und der von vier Rahmenhaltebalken bzw. Rahmentragebalken 4, 4, .., die später beschrieben werden, gebildet wird.
Die Rahmenhaltebalken 4, 4 .. sind zwischen dem Halteabschnitt 2 und dem Rahmen 6 angeordnet. Ein Paar der Rahmenhaltebalken ist bei jeder der Lateralseiten bzw. Querseiten des Rahmens 6 relativ zu der X-Achsenrichtung, die in 1 gezeigt ist, angeordnet. Jeder Rahmenhaltebalken 4 wird von sich in der Y-Achsenrichtung erstreckenden Abschnitten 4A und von Verbindungsabschnitten 4B zum Verbinden jedes sich erstreckenden bzw. ausgedehnten Abschnitts 4A in einem Zustand einer umgekehrten U-Form gebildet. Jeder ausgedehnte Abschnitt 4A befindet sich zwischen dem Halteabschnitt 2 und dem Rahmen 6 und bildet einen kleinen Zwischenraumabschnitt bzw. Abstandsabschnitt 5 zum Vorsehen einer Dämpfung in der X-Achsenrichtung. In diesen Abstandsabschnitten 5 ist Gas, wie Luft, das in einem Gehäuse (nicht dargestellt) des Winkelgeschwindigkeitssensors eingeschlossen ist, vorhanden, und jeder Abstandsabschnitt zum Dämpfen komprimiert das Gas, wenn der Rahmen 6 in der X-Achsenrichtung verschoben wird.
Der Rahmen 6 ist derart ausgebildet, daß er eine rechteckige Form aufweist, die die Oszillatorhaltebalken 8, 8, .. und den Oszillator 9, die später beschrieben werden, umgibt. Der Rahmen 6 wird von jedem Rahmentragebalken 4 derart gehalten bzw. gestützt, daß er in der X-Achsenrichtung in einem von der oberen Oberfläche bzw. Oberseite des Substrats 1 beabstandeten Zustand verschiebbar ist.
Der Rahmen 6, jeder Oszillatorhaltebalken 8 und der Oszillator 9 bilden einen Gesamtmassenabschnitt 7, der schwingbar bzw. oszillierbar an jedem Rahmenhaltebalken 4 in der X-Achsenrichtung gehalten wird. Der Gesamtmassenabschnitt 7 hat eine vorbestimmte Gesamtresonanzfrequenz wo. Die Gesamtresonanzfrequenz wo wird gesetzt bzw. eingestellt, indem beispielsweise eine Masse des Rahmens 6 oder ein Federkoeffizient von jedem Rahmenhaltebalken 4 eingestellt wird, und hat eine Beziehung relativ zu einer Resonanzfrequenz ω₁ des Oszillators 9, die durch die folgende Gleichung 1 dargestellt wird.
Dadurch dämpft der Rahmen 6, wenn ein Stoß in der X-Achsenrichtung von außen her auf das Substrat 1 ausgeübt wird, den Stoß wirksam, um zu verhindern, daß dieser von dem Substrat in Verbindung mit jedem Rahmenhaltebalken 4 auf den Oszillator 9 übertragen wird.
Jeder Oszillatorhaltebalken 8 ist derart ausgebildet, daß er sich in der Y-Achsenrichtung erstreckt, wie es in 1 gezeigt ist. Zwei der Oszillatorhaltebalken 8 sind bei vorderen und hinteren Seiten bei jeder Seite des Oszillators 9 relativ zu der Y-Achsenrichtung angeordnet, d. h. es gibt vier von diesen, die den Oszillator 9 zwischen sich anordnen.
Der Oszillator 9 hat im Wesentlichen eine quadratische _Form und wird durch Mikroprägen, wie beispielsweise Ätzen, eines einkristallinen oder polykristallinen Siliziummaterials mit einem geringen Widerstand gleichzeitig zusammen mit dem Halteabschnitt 2, den Haltebalken 4 und 8, dem Rahmen 6, und den Schwingungsfixierungsabschnitten 10/Elektroden 11 und 12, die später beschrieben werden, ausgebildet.
Der Oszillator 9 wird von jedem Oszillatorhaltebalken 8 derart gehalten, daß er in der X-Achsenrichtung und Z-Achsenrichtung in einem beabstandeten Zustand von dem Substrat verschiebbar gehalten wird. Der Oszillator 9 wird in der Richtung, die durch einen Pfeil a in 1 angezeigt ist, innerhalb des Rahmens 6 durch Schwingungserzeugungsabschnitte 13, die später beschrieben werden, in Schwingung versetzt, so daß er bei der Resonanzfrequenz ω₁ in der X-Achsenrichtung schwingt bzw. oszilliert.
Die zwei Schwingungsfixierungsabschnitte bzw. Schwingungsbefestigungsabschnitte 10 sind fest an dem Substrat 1 angebracht. Jeder Schwingungsfixierungsabschnitt 10 ist jeweils bei beiden Querseiten in der X-Achsenrichtung des Oszillators 9 angeordnet.
Die Schwingungselektroden 11 des feststehenden Teils bzw. die feststehenden Schwingungselektroden 11 sind in jedem Schwingungsfixierungsabschnitt 10 angeordnet. Jede feststehende Schwingungselektrode 11 ist derart ausgebildet, daß sie mehrere Elektrodenplatten 11A, 11A, .. aufweist, die in Richtung von Schwingungselektroden 12 eines beweglichen Teils bzw. von beweglichen Schwingungselektroden 12, die später beschrieben werden, hervorstehen.
Die beweglichen Schwingungselektroden 12 sind bei Querseiten des Oszillators 9 angeordnet. Jede bewegliche Schwingungselektrode 12 hat mehrere Elektrodenplatten 12A, 12A, .., die derart wechselweise angeordnet sind, um mit jeder Elektrodenplatte 11A der feststehenden Schwingungselektrode 11 ineinander zu greifen. Zwischen den Elektrodenplatten 11A und 12A ist ein kleiner Abstandsabschnitt in der Y-Achsenrichtung ausgebildet. Die Masse von jeder beweglichen Schwingungselektrode 12 bildet einen Teil der Masse des Oszillators 9.
Die Bezugszeichen 13 bezeichnen rechte und linke Schwingungserzeugungsabschnitte, die als Schwingungserzeugungseinrichtung wirken. Jeder Schwingungserzeugungsabschnitt 13 wird von einer der feststehenden Schwingungselektroden 11 und einer der beweglichen Schwingungselektroden 12 gebildet. Schwingungsantriebssignale, wie beispielsweise Pulswellen und Sinuswellen, die 180° außer Phase miteinander sind und eine Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz ω₁ des Oszillators 9 aufweisen, werden jeweils an die Elektroden 11 und 12 angelegt, so daß die rechten und linken Schwingungserzeugungsabschnitte 13 wechselweise elektrostatische Anziehungskräfte in der rechten und linken Richtung des Oszillators 9 anwenden bzw. ausüben, wodurch der Oszillator 9 in der X-Achsenrichtung bei einer Resonanzfrequenz ω₁ in Schwingung versetzt wird.
Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt, der als eine Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung wirkt. Wie es am besten in 2 zu sehen ist, wird der Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 14 von einer Erfassungselektrode 15 eines feststehenden Teils bzw. einer feststehenden Erfassungselektrode 15 gebildet, die auf dem Substrat 1 angeordnet ist. Der Oszillator 9 ist der feststehenden Erfassungselektrode 15 über einen Zwischenraumabschnitt bzw. Abstandsabschnitt in der Z-Achsenrichtung gegenüberliegend angeordnet, und der Oszillator 9 und die Elektrode 15 bilden einen Parallelplattenkondensator.
Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 14 erfaßt eine Verschiebung in der Z-Achsenrichtung als der Erfassungsrichtung, wenn der Oszillator 9 in der Z-Achsenrichtung verschoben wird, indem Änderungen bezüglich der elektrostatischen Kapazität zwischen dem Oszillator 9 und der feststehenden Erfassungselektrode 15 erfaßt werden, so daß ein Erfassungssignal entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit um die Y-Achse ausgegeben wird.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die oben erwähnte Struktur. Als nächstes wird der Betrieb von ihm beschrieben.
Wenn ein Treibersignal bzw. Antriebssignal (nicht dargestellt), das eine entgegengesetzte Phase zu einer Vorspannung hat, an die rechten und linken Schwingungserzeugungsabschnitte 13 angelegt wird, werden elektrostatische Anziehungskräfte wechselweise an den Oszillator 9 in Richtung der rechten Seite oder der linken Seite von jedem Schwingungserzeugungsabschnitt 13 entlang der X-Achsenrichtung ausgeübt, wodurch der Oszillator 9 innerhalb des Rahmens 6 in der Richtung, die durch einen Pfeil a in 1 angezeigt wird, bei der Resonanzfrequenz ω₁ in Schwingung versetzt wird.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Y-Achsenrichtung in diesem resonanten Zustand hinzugefügt bzw. hinzuaddiert wird, wird eine Corioliskraft (Trägheitskraft) F, die in der folgenden Gleichung 2 gezeigt ist, auf den Oszillator 9 entlang der Z-Achsenrichtung ausgeübt, so daß der Oszillator 9 durch die Corioliskraft F in der Z-Achsenrichtung verschoben wird. F = 2 m Ω v [Gleichung 2]wobei gilt:
m: eine Masse des Oszillators 9
Ω: eine Winkelgeschwindigkeit um die Y-Achsenrichtung
v: eine Geschwindigkeit des Oszillators 9 in der X-Achsenrichtung.
Wenn der Oszillator 9 in der Z-Achsenrichtung verschoben wird, ändert sich die Größe des Abstandsabschnitts zwischen dem Oszillator 9 und der feststehenden Erfassungselektrode 15 entsprechend der Verschiebung, so daß der Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 14 eine Änderung bezüglich der elektrostatischen Kapazität entsprechend der Größe in dem Abstandsabschnitt zwischen dem Oszillator 9 und der feststehenden Erfassungselektrode 15 als eine Winkelgeschwindigkeit erfaßt, um so ein Erfassungssignal entsprechend der Winkelgeschwindigkeit Ω auszugeben.
Wenn ein Stoß in der X-Achsenrichtung auf den Winkelgeschwindigkeitssensor ausgeübt wird, wird der Stoß, da der Stoßdämpfungsmechanismus 3 zwischen dem Substrat 1 und dem Oszillator 9 liegt, durch jeden Rahmenhaltebalken 4 und den Rahmen 6 von diesem gedämpft, wodurch der Effekt bzw. die Wirkung auf den Oszillator 9 gehemmt bzw. unterdrückt wird, wie es später beschrieben werden wird.
Der Vorgang zum Dämpfen des Stoßes wird unter Verwendung eines in 3 gezeigten dynamischen Modells des Winkelgeschwindigkeitssensors beschrieben.
Eine Wellenform des Stoßes, der auf das Substrat 1 ausgeübt wird, wird durch die folgende Gleichung 3 unter Verwendung einer Amplitude A, einer Frequenz ω, einer Verschiebung z, und einer Zeit t dargestellt. z = A sin(ωt) [Gleichung 3]
Wenn der Stoß entsprechend der Gleichung 3 auf das Substrat 1 ausgeübt bzw. angewendet wird, wird die Bewegungsgleichung des Gesamtmassenabschnitts 7 durch die folgende Gleichung 4 dargestellt. Mx . + Cx . + kx = Cz .+ kz [Gleichung 4] wobei gilt:
M: eine Masse des Gesamtmassenabschnitts 7
C: ein Dämpfungskoeffizient von jedem Rahmenhaltebalken 4, usw. bezüglich der Oszillation bzw. Schwingung des Rahmens 6
K: ein Federkoeffizient der gesamten Rahmenhaltebalken 4
X: eine Verschiebung des Gesamtmassenabschnitts 7
Durch Lösung der Bewegungsgleichung, die in der Gleichung 4 dargestellt ist, wird ein Amplitudenverhältnis (xmax/A) der maximalen Verschiebung (Verschiebungsamplitude) xmax des Gesamtmassenabschnitts 7 relativ zu der Amplitude A an der Seite des Substrats 1 erhalten, wie es in 4 gezeigt ist. In diesem Fall zeigt in 4 die Achse der Abszisse ein Frequenzverhältnis (ω/ω₀) der Frequenz ω der Stoßwellenform relativ zu der Resonanzfrequenz wo des Gesamtmassenabschnitts 7. Ferner zeigen charakteristische Kurven bzw. Kennlinien (a), (b), (c), (d) und (e) jeweils Amplitudenverhältnisse (xmax/A) in Fällen, die einen unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten C aufweisen, was später beschrieben werden wird.
Wie es anhand von 4 ersichtlich ist, verringern sich die Amplitudenverhältnisse (xmax/A) bei all den Kennlinien (a) bis (e), wenn die Frequenz ω der Stoßwellenform, die auf das Substrat 1 ausgeübt wird, größer als die Resonanzfrequenz ω₀ des Gesamtmassenabschnitts 7 ist, so daß das Frequenzverhältnis (ω/ω₀) größer als 1 wird. Insbesondere wird die Amplitude xmax des Gesamtmassenabschnitts 7, wenn das Frequenzverhältnis (ω/ω₀) größer als √2 wird, extrem verringert, wodurch der Stoß, der zu dem Oszillator 9 übertragen wird, wirksam gedämpft wird.
Als Folge davon kann die Schwingung (Amplitude xmax) des Gesamtmassenabschnitts 7, sogar wenn ein Stoß mit Wellenformen nahe der Resonanzfrequenz ω₁ des Oszillators 9 auf das Substrat 1 ausgeübt wird, derart gehemmt bzw. unterdrückt werden, daß sie klein ist, indem zuvor das Frequenzverhältnis (ω₁/ω₀) der Resonanzfrequenz ω₁ und der Resonanzfrequenz ω₀ des Gesamtmassenabschnitts 7 derart eingestellt wird, daß es größer als √2 ist, wie es in der folgenden Gleichung 5 dargestellt ist.
Indem beispielsweise die Masse des Rahmens 6 oder der Federkoeffizient von jedem Rahmenhaltebalken 4, usw. eingestellt wird, wie es in der Gleichung 1, die von der Gleichung 5 her modifiziert wurde, gezeigt ist, wird deshalb das Frequenzverhältnis (ω₁/ω₀) zuvor derart gesetzt bzw. eingestellt, daß es größer als √2 ist, so daß jeglicher Stoß wirksam dabei abgeschwächt bzw. davon abgehalten werden kann, auf den Oszillator 9 übertragen zu werden, sogar wenn ein Stoß, der einen großen Effekt auf den Oszillator 9 hat, weil er eine Frequenz nahe der Resonanzfrequenz ω₁ aufweist, auf das Substrat 1 übertragen wird.
Auf der anderen Seite zeigen die Kennlinien (a) bis (e) in 4 die Amplitudenverhältnisse (xmax/A), wenn ein Dämpfungskoeffizient von jedem Rahmenhaltebalken 4, usw. relativ zu einem vorbestimmten kritischen Dämpfungskoeffizienten C_c geändert wird. Wenn ein Koffizientenverhältnis (C/C_c) durch Setzen bzw. Einstellen des Dämpfungskoeffizienten C auf einen kleinen Wert verringert wird, wie beispielsweise bei der Kennlinie (b), nämlich in dem Frequenzbereich, bei dem das Frequenzverhältnis (ω₁/ω₀) √2 oder mehr ist, kann in diesem Fall die Amplitude xmax des Gesamtmassenabschnitts 7 wirksamer gedämpft bzw. abgeschwächt werden im Vergleich mit jenen der anderen Kennlinien (c) bis (e), die einen größeren Dämpfungskoeffizienten C aufweisen. Jedoch wird in dem Frequenzbereich, bei dem das Frequenzverhältnis ((ω₁/ω₀) geringer als √2 ist, die Amplitude xmax des Gesamtmassenabschnitts 7 vergrößert.
Deshalb sind in der Ausführungsform der 1 und 2 kleine Dämpfungsabstansabschnitte 5 zwischen dem Halteabschnitt 2 des Substrats 1 und dem Rahmen 6 angeordnet, so daß der Dämpfungskoeffizient C des Gesamtmassenabschnitts 7 durch die Dämpfungsfunktion des Dämpfungsabstandsabschnitts 5 einschließlich des Gases in diesem ordnungsgemäß bzw, auf angemessene Weise eingestellt ist.
Wenn folglich der Gesamtmassenabschnitt 7 durch einen Stoß in der X-Achsenrichtung in Schwingung versetzt wird, dient das Gas, da es innerhalb jedes Dämpfungsabstandsabschnitts 5 gegen den Halteabschnitt 2 durch den Rahmen 6 oder die sich erstreckenden bzw. ausgedehnten Abschnitte 4A von jedem Rahmenhaltebalken 4 zusammengedrückt wird, als ein Dämpfer, um so einen ordnungsgemäßen Dämpfungskoeffizienten C bezüglich der Schwingung des Gesamtmassenabschnitts 7 vorzusehen.
Auf eine derartige Art und Weise ist bei der Ausführungsform der 1 und 2 der Stoßdämpfungsmechanismus 3 zwischen dem Substrat 1 und dem Oszillator 9 angeordnet, so daß, wenn ein Stoß auf das Substrat 1 entlang der Schwingungsrichtung des Oszillators 9 ausgeübt wird, der Stoß durch den Stoßdämpfungsmechanismus 3 sicher gedämpft werden kann, um so zu unterdrücken bzw. zu verhindern, daß der Stoß auf den Oszillator 9 übertragen wird. Dadurch kann der Schwingungserzeugungsabschnitt 13 den Oszillator 9 gegen einen Stoß von außen her konstant bzw. beständig in Schwingung versetzen, wodurch sich eine verbesserte Erfassungsempfindlichkeit und Erfassungsgenauigkeit des Sensors ergibt, während die Verläßlichkeit erhöht wird.
Da der Stoßdämpfungsmechanismus 3 aus jedem Rahmenhaltebalken 4 und dem Rahmen 6 gebildet wird, und die Resonanzfrequenz wo des Gesamtmassenabschnitts 7 einschließlich des Rahmens 6 derart eingestellt ist, daß sie 1/√2 mal soviel wie oder geringer als die Resonanzfrequenz ω₁ des Oszillators 9 ist, kann ein Stoß, wenn er auf das Substrat 1 ausgeübt wird, durch jeden Rahmenhaltebalken 4 und den Rahmen 6 an der Außenseite des Oszillators 9 gedämpft werden. Insbesondere kann die Schwingung des Gesamtmassenabschnitts 7 derart unterdrückt bzw. gehemmt werden, daß sie klein gegenüber einer Stoßwellenform mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz ω₁ des Oszillators 9 ist, während die Wirksamkeit der Dämpfung einer derartigen Stoßwellenform mit einem großen Effekt auf den Oszillator 9 verbessert werden kann.
Ferner sind die Dämpfungsabstandsabschnitte 5 derart angeordnet, daß das Gas, wenn der Rahmen 6 durch einen Stoß in der X-Achsenrichtung in Schwingung versetzt wird, innerhalb jedes Dämpfungsabstandsabschnitts 5 als Dämpfungsmittel bzw. als Dämpfer einen geeigneten bzw. ordnungsgemäßen Dämpfungskoeffizienten C bezüglich der Schwingung des Gesamtmassenabschnitts 7 vorsehen kann. Indem beispielsweise die Größen und Formen, usw. bezüglich der Rahmenhaltebalken 4 und der Dämpfungsabstandsabschnitte 5 geändert werden, kann der Dämpfungskoeffizient C leicht eingestellt werden, während die Dämpfungswirksamkeit bezüglich des Stoßes weiter verbessert werden kann.
Als nächstes zeigen die 5 und 6 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Merkmal der zweiten Ausführungsform besteht darin, daß Stöße, die auf den Winkelgeschwindigkeitssensor in sowohl der Schwingungsrichtung als auch der Erfassungsrichtung ausgeübt werden, gedämpft werden können. Zusätzlich dazu bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. ähnliche Abschnitte, die Strukturen aufweisen, welche bei der ersten und zweiten Ausführungsform gemeinsam vorhanden sind, weshalb eine Beschreibung hiervon weggelassen wird.
Das Bezugszeichen 21 bezeichnet ein rechteckiges Substrat, das ein Körper eines Winkelgeschwindigkeitssensors ist. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet einen rechteckigen Halteabschnitt, der fest auf dem Substrat 21 angeordnet ist. Wie es in den 5 und 6 gezeigt ist, ist der Halteabschnitt 22 im Wesentlichen ähnlich zu dem, der in der oben erwähnten ersten Ausführungsform zusammen mit dem Substrat 1 ausgebildet ist.
Das Bezugszeichen 23 bezeichnet einen Stoßdämpfungsmechanismus, der zwischen dem Halteabschnitt 22 und einem Oszillator bzw. Schwinger 30, der später beschrieben wird, angeordnet ist. Der Stoßdämpfungsmechanismus 23 wird aus Rahmenhaltebalken bzw. Rahmentragebalken 24, 24, ., und einem Rahmen 27, die später beschrieben werden, gebildet, und ist im Wesentlichen ähnlich zu dem, der in der ersten Ausführungsform ausgebildet ist. Jedoch ist der Stoßdämpfungsmechanismus 23 gemäß dieser Ausführungsform derart ausgebildet, daß er Stöße in sowohl der X-Achsenrichtung als auch der Y-Achsenrichtung dämpft, die Schwingungs- und Erfassungsrichtungen des Oszillators 30 sind, wie es später beschrieben wird.
Jeder Rahmenhaltebalken 24 ist in einer L-Form ausgebildet und ist bei jeder der vier Ecken des Rahmens 27 angeordnet. Der Rahmenhaltebalken 24 ist aus einem ersten sich erstreckenden bzw. ausgedehnten Abschnitt 24A, der sich in der X-Achsenrichtung in 5 erstreckt, aus zweiten sich erstreckenden bzw. ausgedehnten Abschnitten 24B, die in der Y-Achsenrichtung bei dem vorderen Ende der ersten ausgedehnten Abschnitte 24A angeordnet sind, und aus einem Verbindungsabschnitt 24C zum Verbinden jedes zweiten ausgedehnten Abschnitts 24B in einer umgekehrten U-Form ausgebildet.
Die ausgedehnten Abschnitte 24A bilden kleine Dämpfungszwischenraumabschnitte bzw. Dämpfungsabstandsabschnitte 25, 25, .. in der Y-Achsenrichtung, die zwischen dem Halteabschnitt 22 und dem Rahmen 27 angeordnet sind und Dämpfungsfunktionen aufweisen, im Wesentlichen ähnlich zu dem ausgedehnten Abschnitt 24B, der kleine Dämpfungsabstandsabschnitte 26, 26, .. in der X-Achsenrichtung bildet.
Das Bezugszeichen 27 bezeichnet einen Rahmen, der zwischen dem Substrat 21 und dem Oszillator 30 angeordnet ist. Der Rahmen 27 erstreckt sich in einer rechteckigen Form derart, daß er die Oszillatorhaltebalken bzw. Oszillatortragebalken 29, 29, .., die später beschrieben werden, und den Oszillator 30 umgibt. Der Rahmen 27 wird von jedem Rahmenhaltebalken 24 derart gehalten, daß er in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung in einem beabstandeten Zustand von dem Substrat 21 verschiebbar ist.
Der Rahmen 27, jeder Oszillatorhaltebalken 29 und der Oszillator 30 bilden einen Gesamtmassenabschnitt 28, der von jedem Rahmenhaltebalken 24 in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung bewegbar gehalten wird. Die Gesamtresonanzfrequenz ω2 des Gesamtmassenabschnitts 28 wird zuvor derart gesetzt bzw. eingestellt, daß sie eine Beziehung mit der Resonanzfrequenz ω₃ des Oszillators 30 hat, wie es in der folgenden Gleichung 6 gezeigt ist, nämlich aus dem gleichen Grund wie bei der ersten Ausführungsform.
Jeder Oszillatorhaltebalken bzw. Oszillatortragebalken 29 hat die Form einer langen und schmalen Platte, die sich in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung erstreckt, wie es in 5 gezeigt ist. Zwei der Oszillatorhaltebalken 29 sind bei vorderen und hinteren Seiten bei jeder Seite des Oszillators 30 relativ zu der Y-Achsenrichtung angeordnet, d. h. es gibt im gesamten vier von diesen, die den Oszillator 30 zwischen sich anordnen.
Der Oszillator 30 hat im Wesentlichen eine H-Form und wird durch Mikroprägen, wie beispielsweise Ätzen, eines einkristallinen oder polykristallinen Siliziummaterials, das einen geringen Widerstand hat, gleichzeitig zusammen mit dem Halteabschnitt 22, den Haltebalken 24 und 29, dem Rahmen 27 und Fixierungsabschnitten bzw. Befestigungsabschnitten 31 und 35/Elektroden 32, 33, 36 und 37, die später beschrieben werden, ausgebildet.
Der Oszillator 30 wird von jedem Oszillatorhaltebalken 29 derart gehalten, daß er in der X- und der Y-Achsenrichtung in einem beabstandeten Zustand von dem Substrat 21 verschiebbar ist, und hat eine vorbestimmte Oszillatorresonanzfrequenz ω₃. Der Oszillator 30 wird von Schwingungserzeugungsabschnitten 34, die später beschrieben werden, derart in Schwingung versetzt, daß er in dem Rahmen 27 in der X-Achsenrichtung bei der Resonanzfrequenz ω₃ in Schwingung versetzt wird.
Die Bezugszeichen 31 bezeichnen zwei Schwingungsfixierungsabschnitte, die an dem Substrat 21 fest angeordnet sind. Die Bezugszeichen 32 bezeichnen Schwingungselektroden eines feststehenden Teils bzw. feststehende Schwingungselektroden, die in jedem Schwingungsfixierungsabschnitt 31 angeordnet sind. Jede feststehende Schwingungselektrode 32 ist derart ausgebildet, daß sie mehrere Elektrodenplatten 32A, 32A, .. aufweist, die in Richtung von Schwingungselektroden 33 eines beweglichen Teils bzw. von beweglichen Schwingungselektroden 33, die später beschrieben werden, hervorstehen.
Jede bewegliche Schwingungselektrode 33 hat mehrere Elektrodenplatten 33A, 33A, ..., die abwechselnd derart angeordnet sind, daß sie mit jeder Elektrodenplatte 32A der feststehenden Schwingungselektrode 32 ineinander greifen. Zwischen den Elektrodenplatten 32A und 33A ist ein kleiner Zwischenraumabstand bzw. Abstandsabschnitt in der Y-Achsenrichtung ausgebildet.
Die Bezugszeichen 34 bezeichnen rechte und linke Schwingungserzeugungsabschnitte, die als eine Schwingungserzeugungseinrichtung wirken. Jeder Schwingungserzeugungsabschnitt 34 wird von der feststehenden Schwingungselektrode 32 und der beweglichen Schwingungselektrode 33 im Wesentlichen ähnlich zu der ersten Ausführungsform gebildet, und versetzt den Oszillator 30 in der X-Achsenrichtung bei der Resonanzfrequenz ω₃ in Schwingung.
Die Bezugszeichen 35 bezeichnen zwei Erfassungsbefestigungsabschnitte bzw. Erfassungsfixierungsabschnitte, die auf dem Substrat 21 fest angeordnet sind. Die Bezugszeichen 36 bezeichnen Erfassungselektroden eines feststehenden Teils bzw. feststehende Erfassungselektroden, die in jedem Erfassungsfixierungsabschnitt 35 angeordnet sind. Jede feststehende Erfassungselektrode 36 hat mehrere Elektrodenplatten 36A, 36A, .., die in Richtung von Erfassungselektroden 37 eines beweglichen Teils bzw. von beweglichen Erfassungselektroden 37, die später beschrieben werden, hervorstehen.
Jede bewegliche Erfassungselektrode 37 hat mehrere Elektrodenplatten 37A, 37A, .., die abwechselnd derart angeordnet sind, daß sie mit jeder Elektrodenplatte 36A der feststehenden Erfassungselektrode 36 ineinander greifen. Zwischen den Elektrodenplatten 36A und 37A ist ein kleiner Abstandsabschnitt in der Y-Achsenrichtung ausgebildet.
Die Bezugszeichen 38 bezeichnen Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitte, die als Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung wirken. Jeder Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 38 wird von der feststehenden Erfassungselektrode 36 und der beweglichen Erfassungselektrode 37 gebildet, wobei die jeweiligen Elektrodenplatten 36A und 37A von diesen einen Parallelplattenkondensator bilden. Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 38 erfaßt eine Verschiebung in der Y-Achsenrichtung als die Erfassungsrichtung, wenn der Oszillator 30 in der Y-Achsenrichtung verschoben wird, indem Änderungen bezüglich der elektrostatischen Kapazität zwischen der feststehenden Erfassungselektrode 36 und der beweglichen Erfassungselektrode 37 erfaßt werden, um so ein Erfassungssignal entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit Ω um die Z-Achse auszugeben.
Dadurch wird bei der zweiten Ausführungsform der 5 und 6, wenn der Oszillator 30 in der X-Achsenrichtung schwingt, indem er durch jeden Schwingungserzeugungsabschnitt 34 angetrieben wird, und in diesem Zustand, wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Z-Achsenrichtung zu dem Winkelgeschwindigkeitssensor hinzugefügt bzw. an diesem vorgesehen wird, der Oszillator 30 in der Y-Achsenrichtung aufgrund einer Corioliskraft durch eine Verschiebung entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit Ω verschoben. Die Verschiebung des Oszillators 30 wird durch den Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 38 als eine Änderung bzw. als Änderungen bezüglich der elektrostatischen Kapazität erfaßt, um so ein Erfassungssignal entsprechend der Winkelgeschwindigkeit Ω um die Z-Achse auszugeben.
Wenn ein Stoß auf das Substrat 21 in der X-Achsenrichtung oder der Y-Achsenrichtung ausgeübt wird, wird der Stoß in beiden Richtungen durch den Stoßdämpfungsmechanismus 23 wirksam gedämpft, um zu verhindern, daß der Stoß an den Oszillator 30 übertragen wird.
In einer derartigen Art und Weise kann auch bei der zweiten Ausführungsform ein im Wesentlichen ähnlicher Effekt zu dem bei der ersten Ausführungsform erhalten werden. Insbesondere ist bei der zweiten Ausführungsform der Stoßdämpfungsmechanismus 23 derart ausgebildet, um einen Stoß in sowohl der Schwingungsrichtung als auch der Erfassungsrichtung des Oszillators 30 zu dämpfen, so daß der Oszillator 30 in einem im Wesentlichen stabilen Schwingungszustand gegenüber einem Stoß in sowohl der X-Achsenrichtung als auch der Y-Achsenrichtung gehalten wird, wodurch sich weiter verbesserte Erfassungsgenauigkeiten und eine weiter verbesserte Zuverlässigkeit ergibt.
Da der Oszillator 30 ferner derart angeordnet ist, daß er seine Schwingungs- und Erfassungsrichtungen in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung parallel zu dem Substrat hat, kann der Winkelgeschwindigkeitssensor in der Z-Achsenrichtung miniaturisiert werden, während der Stoßdämpfungsmechanismus 23, der einen Stoß in sowohl der Schwingungsrichtung als auch der Erfassungsrichtung dämpft, leicht ausgebildet werden kann.
Zusätzlich dazu wird bei der zweiten Ausführungsform der Oszillator 30 in der Y-Achsenrichtung entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit verschoben, während er in der X-Achsenrichtung schwingt, und dämpft der Stoßdämpfungsmechanismus 23 einen Stoß in sowohl der X-Achsenrichtung als auch der Y-Achsenrichtung; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Strukturen beschränkt, und der Stoßdämpfungsmechanismus kann derart ausgebildet sein, daß er einen Stoß dämpft, der auf das Substrat 21 in jeder der X- und Y-Achsenrichtungen ausgeübt wird.
Wie es oben ausführlich beschrieben wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung, da der Stoßdämpfungsmechanismus zum Dämpfen eines Stoßes entlang zumindest der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung vorgesehen ist und zum Verhindern vorgesehen ist, daß der Stoß von dem Substrat an den Oszillator übertragen wird, wenn ein Stoß in der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung auf das Substrat ausgeübt wird, der Stoß sicher durch den Stoßdämpfungsmechanismus gedämpft werden, so daß es gehemmt bzw. verhindert wird, daß der Stoß auf den Oszillator übertragen wird. Während der Oszillator beständig bzw. konstant gegenüber einem Stoß von außen her schwingt, kann dadurch der Oszillator gleichmäßig bzw. ruckfrei entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit, die auf den Sensor ausgeübt wird, verschoben werden. Deshalb können die Erfassungsempfindlichkeit und die Erfassungsgenauigkeiten des Sensors verbessert werden, um so die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
Da der Stoßdämpfungsmechanismus aus dem Rahmenhaltebalken und dem Rahmen gebildet wird, und der Oszillator innerhalb des Rahmens durch den Oszillatorhaltebalken in sowohl der Schwingungsrichtung als auch der Erfassungsrichtung verschiebbar gehalten wird, wenn ein Stoß von außen her auf das Substrat ausgeübt wird, kann der Stoß außerhalb des Oszillators durch den Rahmenhaltebalken und den Rahmen derart gedämpft werden, daß er nicht zu dem Oszillator übertragen wird, während der Oszillator während des Schwingens innerhalb des Rahmens verschoben werden kann.
Da ferner die Gesamtresonanzfrequenz des Oszillators, des Oszillatorhaltebalkens und des Rahmens derart gesetzt bzw. eingestellt ist, daß sie 1/√2 mal soviel wie oder geringer als die Oszillatorresonanzfrequenz ist, kann die Schwingung des Oszillators, des Oszillatorhaltebalkens und des gesamten Rahmenabschnitts aufgrund einer Wellenform mit einer Frequenz nahe der Oszillatorresonanzfrequenz im Wesentlichen derart gedämpft werden, daß sie nicht auf den Oszillator übertragen wird, während die Dämpfung bzw. Abschwächung der Stoßwellenform, die einen großen Effekt auf den Oszillator hat, erhöht werden kann.
Zusätzlich dazu kann, da der Dämpfungsabstandsabschnitt zwischen dem Halteabschnitt des Substrats und dem Rahmen ange ordnet ist, um Gas bei einer Verschiebung des Rahmens zu komprimieren, wenn der Rahmen durch einen Stoß in Schwingung versetzt wird, die Schwingung auf geeignete Weise unter Verwendung des Gases innerhalb jedes Dämpfungsabstandsabschnitts als ein Dämpfer bzw. ein Dämpfungsmittel gedämpft werden. Indem beispielsweise die Größe oder die Form, usw. bei dem Dämpfungsabstandsabschnitt geändert wird, kann der Dämpfungskoeffizient leicht eingestellt werden, während die Wirksamkeit der Dämpfung bezüglich eines Stoßes weiter verbessert werden kann.
Da ferner der Oszillator eine Schwingungsrichtung parallel zu dem Substrat und eine Erfassungsrichtung senkrecht zu dem Substrat hat, und da der Stoßdämpfungsmechanismus derart ausgebildet ist, um einen Stoß in zumindest einer Richtung der Schwingungsrichtung und der Erfassungsrichtung zu dämpfen, während der Oszillator entlang einer Ebene parallel zu dem Substrat in Schwingung versetzt wird, kann der Oszillator in der Erfassungsrichtung senkrecht zu dieser Ebene entsprechend einer Winkelgeschwindigkeit verschoben werden, und kann der Stoßdämpfungsmechanismus einen Stoß entlang der Schwingungsrichtung dämpfen.
Zusätzlich dazu kann, da die Oszillationsrichtung und die Erfassungsrichtung des Oszillators parallel zu dem Substrat angeordnet sind, und der Stoßdämpfungsmechanismus derart ausgebildet ist, um einen Stoß entlang zumindest der Erfassungsrichtung zu dämpfen, die Verschiebung des Oszillators in der Erfassungsrichtung aufgrund des Stoßes verhindert werden, woraus sich eine weitere Verbesserung bezüglich der Erfassungsgenauigkeiten und der Zuverlässigkeit, usw. ergibt. Ferner wird durch Anordnen der Schwingungs- und Erfassungsrichtungen parallel zu dem Substrat der Stoßdämpfungsmechanismus zum Dämpfen eines Stoßes entlang dieser zwei Richtungen leicht ausgebildet.
Da ferner der Oszillator, der Oszillatorhaltebalken und der Stoßdämpfungsmechanismus aus einem einkristallinen oder po lykristallinen Siliziummaterial beispielsweise durch ein Mikroprägen, wie ein Ätzen, eines einkristallinen oder polykristallinen Siliziummaterials ausgebildet werden, können der Oszillator, der Oszillatorhaltebalken und der Stoßdämpfungsmechanismus gleichzeitig und wirksam ausgebildet werden.

Claims

Winkelgeschwindigkeitssensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (1; 21); einen Stoßdämpfungsmechanismus (3; 23), der auf dem Substrat (1; 21) angeordnet ist, um einen Stoß, der auf das Substrat (1; 21) ausgeübt wird, zu dämpfen; einen Oszillator (9; 30), der auf dem Substrat (1; 21) durch zumindest einen Oszillatortragebalken (8; 29) derart getragen ist, daß er in zwei Richtungen (X, Y), die parallel zu dem Substrat und senkrecht zueinander sind, verschiebbar ist; eine Schwingungserzeugungseinrichtung (13; 34) zum in Schwingung Versetzen des Oszillators (9; 30) in einer Schwingungsrichtung parallel zu einer der zwei Richtungen (X, Y); und eine Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (14; 38) zum Erfassen einer Verschiebung des Oszillators (9; 30) als einer Winkelgeschwindigkeit, wenn der Oszillator (9; 30) in einer Erfassungsrichtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung verschoben wird, wobei der Stoßdämpfungsmechanismus (3; 23) einen Stoß auf das Substrat (1; 21) entlang zumindest der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung dämpft, um so zu verhindern, daß der Stoß von dem Substrat (1; 21) auf den Oszillator (9; 30) übertragen wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem der Stoßdämpfungsmechanismus (3; 23) aus einem Rahmenhaltebalken (4; 24), der auf dem Substrat (1; 21) angeordnet ist, und einem Rahmen (6; 27), der an dem Substrat durch den Rahmenhaltebalken gehalten wird, um in zumindest der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung verschiebbar zu sein, gebildet ist, und bei dem der Oszillator (9; 30) über den Oszillatortragebalken (8; 29) an der Innenseite des Rahmens (6; 27) gehalten wird, um in sowohl der Schwingungsrichtung als auch der Erfassungsrichtung verschiebbar zu sein.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, bei dem der Oszillator (9; 30), der Oszillatortragebalken (8; 29) und der Rahmen (6; 27) eine Gesamtresonanzfrequenz (ω₀; ω₂) aufweisen, die eingestellt ist, daß sie 1/√2 mal größer als oder kleiner als eine Resonanzfrequenz (ω₁; ω₃) des Oszillators ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem das Substrat (1; 21) mit einem Trageabschnitt (2; 22) versehen ist, der außerhalb des Rahmens (6; 27) angeordnet ist, um den Rahmen zum Tragen des Rahmens über den Rahmentragebalken zu umgeben, und bei dem der Stoßdämpfungsmechanismus (3; 23) einen Dämpfungsabstandsabschnitt (5; 25, 26) aufweist, der zwischen dem Trageabschnitt (2; 22) und dem Rahmen (6; 27) angeordnet ist, um ein Gas zu komprimieren, wenn der Rahmen verschoben wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Oszillator (9; 30) ausgebildet ist, um in einer Schwingungsrichtung parallel zu dem Substrat (1; 21) und in einer Erfassungsrichtung senkrecht zu dem Substrat verschiebbar zu sein, und bei dem der Stoßdämpfungsmechanismus (3; 23) ausgebildet ist, um einen Stoß in der Schwingungsrichtung zu dämp fen und zu verhindern, daß der Stoß von dem Substrat (1; 21) auf den Oszillator (9; 30) übertragen wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Oszillator (9; 30) ausgebildet ist, um in der Schwingungsrichtung und der Erfassungsrichtung, die parallel zu dem Substrat (1; 21) und senkrecht zueinander sind, verschiebbar zu sein, und bei dem der Stoßdämpfungsmechanismus (3; 23) ausgebildet ist, um einen Stoß in zumindest der Schwingungsrichtung oder der Erfassungsrichtung zu dämpfen und zu verhindern, daß der Stoß von dem Substrat (1; 21) auf den Oszillator (9; 30) übertragen wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Oszillator (9; 30), der Oszillatortragebalken (8; 29) und der Stoßdämpfungsmechanismus (3; 23) einheitlich aus einem einkristallinen oder polykristallinen Siliziummaterial mit einem geringen Widerstand ausgebildet sind.