DE69634863T2 - Winkelgeschwindigkeitssensor - Google Patents

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Kazuhiro Ageo-shi Okada
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    • G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/084—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor und ins Besondere auf einen Sensor, der mehrdimensionale Winkelgeschwindigkeitskomponenten bezüglich aller jeweiligen Achsen detektieren kann.
  • In der Automobilindustrie, Maschinenindustrie und Ähnlichem ist eine erhöhte Nachfrage nach Sensoren entstanden, die physische Aktivität wie z.B. Beschleunigung oder Winkelgeschwindigkeit präzise detektieren können. Im Allgemeinen werden eine Beschleunigung in eine beliebige Richtung und eine Winkelgeschwindigkeit in eine beliebige Drehrichtung auf ein Objekt ausgeübt, das eine freie Bewegung in einem dreidimensionalen Raum ausführt. Um die Bewegung des Objekts präzise zu erfassen, ist es aus diesem Grund notwendig, Beschleunigungskomponenten bezüglich aller jeweiligen Koordinatenachsenrichtungen bzw. Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die jeweiligen Koordinatenachsen in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem unabhängig voneinander zu detektieren. Deshalb ist eine erhöhte Nachfrage nach mehrdimensionalen Beschleunigungssensoren oder Mehrachsen-Winkelgeschwindigkeitssensoren entstanden, die kompakt sind und eine hohe Genauigkeit haben und die Herstellungskosten niedrig halten können.
  • Bisher wurden mehrdimensionale Beschleunigungssensoren von verschiedenen Typen vorgeschlagen. Zum Beispiel sind in der auf dem PCT basierenden internationalen Veröffentlichung Nr. WO88/08522 (U.S.P. Nr. 4967605 und U.S.P. Nr. 5182515), in der auf dem PCT basierenden internationalen Veröffentlichung Nr. WO91/10118 (U.S.P. Anmeldung Nr. 07/761771), in der auf dem PCT basierenden internationalen Veröffentlichung WO/92/17759 (U.S.P. Anmeldung Nr. 07/952753) und Ähnlichen Beschleunigungssensoren offenbart, in denen ausgeübte Beschleunigungskomponenten bezüglich aller jeweiligen Koordinatenachsenrichtungen detektiert werden. Die Eigenschaft dieser Beschleunigungssensoren besteht darin, dass eine Mehrzahl von Widerstandselementen, elektrostatischen Kapazitätselementen oder piezoelektrischen Elementen an vorherbestimmten Positionen eines Substrates mit Flexibilität angeordnet sind, um ausgeübte Beschleunigungskomponenten auf der Basis von Änderungen in den Widerstandswerten der Widerstandselemente, Änderungen in den Kapazitätswerten der elektrostatischen Kapazitätselemente oder Änderungen in den von den piezoelektrischen Elementen erzeugten Spannungen zu detektieren. An dem Substrat mit Flexibilität wird ein Gewichtskörper angebracht. Wenn eine Beschleunigung ausgeübt wird, wird an dem Gewichtskörper eine Kraft erzeugt, so dass ein Biegen in dem flexiblen Substrat auftritt. Durch Detektierung dieser Biegung auf der Basis der oben beschriebenen Änderungen in den Widerstandswerten, Kapazitätswerten oder Spannungswerten ist es möglich Werte von Beschleunigungskomponenten in die jeweiligen Achsenrichtungen zu erlangen.
  • Andererseits ist die Beschreibung der Mehrachsen-Winkelgeschwindigkeitssensoren in der bisherigen Literatur kaum zu finden und solche Winkelgeschwindigkeitssensoren wurden noch nicht in den praktischen Gebrauch aufgenommen. Gewöhnlich werden Winkelgeschwindigkeitssensoren zur Detektierung einer Winkelgeschwindigkeit einer Antriebswelle usw. eines Fahrzeuges verwendet und haben nur eine Funktion zur Detektierung einer Winkelgeschwindigkeit um eine bestimmte einzelne Achse. In solchen Fällen der Bestimmung einer Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle reicht es aus einen eindimensionalen Winkelgeschwindigkeitssensor zu verwenden. Um jedoch Winkelgeschwindigkeit bezüglich eines Objektes zu detektieren, das eine freie Bewegung in einem dreidimensionalen Raum ausführt, ist es notwendig Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die jeweiligen Achsen der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem unabhängig voneinander zu detektieren. Um Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die jeweiligen Achsen der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse unter Verwendung des herkömmlicherweise verwendeten eindimensionalen Winkelgeschwindigkeitssensors zu detektieren, ist es notwendig drei Sätze solcher wie oben beschriebenen eindimensionalen Winkelgeschwindigkeitssensoren bereitzustellen, um sie in derartigen bestimmten Richtungen anzuordnen, dass eine Detektierung von Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die jeweiligen Achsen erlaubt wird. Aus diesem Grund wird die Struktur des Sensors in seiner Gesamtheit kompliziert und die Kosten steigen ebenfalls.
  • Unter diesen Umständen hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung einen neuartigen Mehrachsen-Winkelgeschwindigkeitssensor vorgeschlagen, der kompakt ist und eine hohe Genauigkeit hat und die Herstellungskosten niedrig halten kann. Dieser neuartige Sensor wurde in der auf dem PCT basierenden internationalen Veröffentlichung Nr. WO94/23272 offenbart. Darüber hinaus hat der Erfinder der vorliegenden Anmeldung mehrere verbesserte Sensoren davon in der japanischen Patentanmeldung Nr. 191081/1994, der japanischen Patentanmeldung Nr. 225894/1994 und der japanischen Patentanmeldung Nr. 258909/1994 offenbart. Gemäß diesen neuartigen Sensoren ist es möglich dreidimensionale Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die jeweiligen Achsen zu detektieren. Dabei wird das Prinzip genutzt, dass dann, wenn ein Objekt in dem Zustand, in dem die Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achsen-Richtung ausgeübt wird, in der Z-Achsen-Richtung zum Schwingen gebracht wird, Coriolis-Kraft in der Y-Achsen-Richtung ausgeübt wird. Es wird zum Beispiel eine Wechselstromspannung an ein bestimmtes, auf einem flexiblen Substrat angeordnetes piezoelektrisches Element angelegt, um einen an dem flexiblen Substrat befestigten Gewichtskörper in die Z-Achsen-Richtung zum Schwingen zu bringen. Wenn die Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse ausgeübt wird, wird Coriolis-Kraft in der Y-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper ausgeübt. Dementsprechend wird der Gewichtskörper zu einer Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung veranlasst. Wenn diese Auslenkung von Ladungen detektiert wird, die von einem anderen piezoelektrischen Element erzeugt werden, kann die ausgeübte Winkelgeschwindigkeit ωx indirekt detektiert werden.
  • In dem oben beschriebenen Mehrachsen-Winkelgeschwindigkeitssensor ist es relativ leicht Winkelgeschwindigkeitsdetektierung um zwei Achsen auszuführen. Wenn z.B. in die Y-Achsen-Richtung ausgeübte Coriolis-Kraft in dem Zustand detektiert werden kann, in dem der Gewichtskörper in der Z-Achsen-Richtung zum Schwingen gebracht wird, ist es möglich eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse zu erlangen. Wenn dahingegen in die X-Achsen-Richtung ausgeübte Coriolis-Kraft detektiert werden kann, ist es möglich eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse zu erlangen. In dem Zustand, in dem der Gewichtskörper in die gleiche Z-Achsen-Richtung zum Schwingen gebracht wird, wird es nämlich möglich sowohl die Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse als auch die Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse zu erlangen. In dem Zustand, in dem der Gewichtskörper in die Z-Achsen-Richtung zum Schwingen gebracht wird, ist es jedoch unmöglich eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse zu erlangen. Um die Winkelgeschwindigkeit ωx um die Z-Achse zu erlangen, ist es notwendig eine Änderung vorzunehmen, um den Gewichtskörper in die X-Achsen- oder die Y-Achsen-Richtung schwingen zu lassen.
  • Um jedoch die Schwingungsrichtung eines Gewichtskörpers mit einer bestimmten Masse von einer ersten Richtung in eine zweite Richtung zu ändern, die senkrecht zu der ersten Richtung ist, ist es notwendig die Schwingung des Gewichtskörpers erst einmal zu stoppen, um danach zu beginnen, ihn in die zweite Richtung zum Schwingen zu bringen. Gewöhnlich dauert es eine bestimmte Zeit, das schwingende Objekt zu stoppen. Um das Objekt in eine andere Richtung zum Schwingen zu bringen, um es in einen stabilen Schwingungszustand gelangen zu lassen, dauert es zusätzlich auch eine bestimmte Zeit. Aus diesem Grund bestand in dem Fall, in dem eine Detektierung von Winkelgeschwindigkeit um drei Achsen ausgeführt wird, das Problem, dass das Ansprechen herabgesetzt war.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Hinblick darauf besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Vorsehung eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der Winkelgeschwindigkeitskomponenten bezüglich mehrerer verschiedener Achsen mit gutem Ansprechen detektieren kann.
    • (1) Die erste Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1.
    • (2) Die zweite Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten Art: wobei der Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung innerhalb einer vorherbestimmten Ebene ausführt; wobei sich die erste Achse in einer senkrechten Richtung zu der Ebene befindet und sich die zweite Achse in einer radialen Richtung der kreisförmigen Bewegung befindet; wobei eine Komponente in die erste Achsen-Richtung einer auf den Gewichtskörper ausgeübten Kraft als eine Coriolis-Kraft detektiert wird; und wobei eine Winkelgeschwindigkeit um die zweite Achse auf der Basis einer Tangentialgeschwindigkeit des Gewichtskörpers und der Coriolis-Kraft detektiert wird.
    • (3) Die dritte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten Art: wobei der Gewichtskörper eine Kreisbewegung innerhalb einer vorherbestimmten Ebene ausführt; wobei sich die erste Achse in einer radialen Richtung der Kreisbewegung befindet und sich die zweite Achse in einer senkrechten Richtung zu der Ebene befindet; wobei eine Coriolis-Kraft durch Eliminieren einer auf der kreisförmigen Bewegung basierenden Zentrifugalkraftkomponente von einer Komponente in die erste Achsenrichtung einer auf den Gewichtskörper ausgeübten Kraft detektiert wird; und wobei eine Winkelgeschwindigkeit um die zweite Achse auf der Basis einer Tangentialgeschwindigkeit des Gewichtskörpers und der Coriolis-Kraft erlangt wird.
    • (4) Die vierte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten Art: wobei der Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung innerhalb einer XY-Ebene eines dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystems mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse ausführt; und wobei eine Coriolis-Kraft detektiert wird, wenn der Gewichtskörper die X-Achse bzw. die Y-Achse durchläuft, um so die Winkelgeschwindigkeitskomponenten von mindestens zwei Achsen in dem dreidimensionalen XYZ-System zu erlangen.
    • (5) Die fünfte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vierten Art: wobei eine Komponente in die Z-Achsen-Richtung einer auf den Gewichtskörper ausgeübten Kraft als eine Coriolis-Kraft detektiert wird, wenn der Gewichtskörper die X-Achse entlang der Y-Achsen-Richtung mit einer vorherbestimmten Momentangeschwindigkeit durchläuft und eine Winkelgeschwindigkeitskomponente um die X-Achse auf der Basis der Momentangeschwindigkeit und der detektierten Coriolis-Kraft erlangt wird; wobei eine Komponente in die Z-Achsen-Richtung einer auf den Gewichtskörper ausgeübten Kraft als eine Coriolis-Kraft detektiert wird, wenn der Gewichtskörper die Y-Achse entlang der X-Achsen-Richtung mit einer vorherbestimmten Momentangeschwindigkeit durchläuft und eine Winkelgeschwindigkeitskomponente um die Y-Achse auf der Basis der Momentangeschwindigkeit und der detektierten Coriolis-Kraft erlangt wird; und wobei eine Komponente in die X-Achsen-Richtung einer auf den Gewichtskörper ausgeübten Kraft detektiert wird, wenn der Gewichtskörper die X-Achse entlang der Y-Achsen-Richtung mit einer vorherbestimmten Momentangeschwindigkeit durchläuft, eine Coriolis-Kraft durch Eliminierung einer auf der kreisförmigen Bewegung basierenden Zentrifugalkraftkomponente von der detektierten Kraftkomponente detektiert wird und eine Winkelgeschwindigkeitskomponente um die Z-Achse auf der Basis der Momentangeschwindigkeit und der detektierten Coriolis-Kraft erlangt wird; um folglich die Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die drei Achsen der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse zu erlangen.
    • (6) Die sechste Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten bis fünften Art: wobei ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse so definiert ist, dass der Gewichtskörper an einem Ursprung des Koordinatensystems positioniert ist; wobei die Antriebseinrichtung einen ersten Kraftgenerator zur Ausübung einer Kraft auf den Gewichtskörper in eine positive Richtung der X-Achse, einen zweiten Kraftgenerator zur Ausübung einer Kraft auf den Gewichtskörper in eine positive Richtung der Y-Achse, einen dritten Kraftgenerator zur Ausübung einer Kraft auf den Gewichtskörper in eine negative Richtung der X-Achse und einen vierten Generator zur Ausübung einer Kraft auf den Gewichtskörper in eine negative Richtung der Y-Achse aufweist; und wobei der erste bis vierte Kraftgenerator periodisch betätigt werden, so dass der Gewichtskörper eine Umlaufbewegung innerhalb einer XY-Ebene ausführt.
    • (7) Die siebte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten bis fünften Art: wobei die Trageinrichtung ein flexibles Substrat mit Flexibilität aufweist, wobei ein Umfangsteil des flexiblen Substrates an dem Sensorgehäuse befestigt ist und der Gewichtskörper an einem Mittelteil des flexiblen Substrates befestigt ist, wobei die Antriebseinrichtung eine Mehrzahl von Kraftgeneratoren zur Ausübung einer Kraft in eine vorherbestimmte Richtung an einem vorherbe stimmten Teil des flexibles Substrates aufweist, wobei die Kraftgeneratoren auf dem flexiblen Substrat angeordnet sind, und wobei die Detektierungseinrichtung eine Mehrzahl von Auslenkungsdetektoren zur Detektierung einer Auslenkung eines vorherbestimmten Teils des flexiblen Substrates in eine vorherbestimmte Richtung aufweist, wobei die Detektierungseinrichtung auf dem flexiblen Substrat angeordnet ist.
    • (8) Die achte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten Art: wobei das flexible Substrat eine ringförmige Ausnehmung aufweist, die sich zwischen dem Umfangsteil und dem Mittelteil an einer Oberfläche des flexiblen Substrates befindet, so dass ein flexibler Teil mit einer geringen Dicke gebildet wird, um eine derartige Struktur zu schaffen, dass der Mittelteil durch Biegen des flexiblen Teils eine Auslenkung hinsichtlich des Umfangsteils erzeugt.
    • (9) Die neunte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse so definiert ist, dass eine Oberfläche des flexiblen Substrates parallel zu einer XY-Ebene liegt: wobei vier Kraftgeneratoren zur Ausübung einer Kraft in eine Richtung entlang der Z-Achse vorgesehen sind, wobei die vier Kraftgeneratoren sich jeweils in einem positiven und einem negativen Bereich der X-Achse und in einem positiven und einem negativen Bereich der Y-Achse befinden; und wobei die vier Kraftgeneratoren periodisch betätigt werden, so dass der Gewichtskörper eine Umlaufbewegung innerhalb der XY-Ebene ausführt.
    • (10) Die zehnte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse so definiert ist, dass eine Oberfläche des flexiblen Substrates parallel zu einer XY-Ebene liegt: wobei drei Kraftgeneratoren zur Ausübung einer Kraft in eine Richtung entlang der Z-Achse vorgesehen sind, wobei die drei Kraftgeneratoren sich jeweils in einem positiven und einem negativen Bereich der X-Achse und in einem Bereich in einer Nachbarschaft eines Ursprungs des Koordinatensystems befinden; und wobei die drei Kraftgeneratoren periodisch betätigt werden, so dass der Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung innerhalb einer XZ-Ebene ausführt.
    • (11) Die elfte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse so definiert ist, dass eine Oberfläche des flexiblen Substrates parallel zu einer XY-Ebene liegt: wobei die ersten zwei Kraftgeneratoren zur Ausübung einer Kraft in eine Richtung entlang der X-Achse vorgesehen sind, wobei die ersten zwei Kraftgeneratoren sich jeweils in einem positiven und einem negativen Bereich der X-Achse befinden; und wobei die zweiten zwei Kraftgeneratoren zur Ausübung einer Kraft in eine Richtung entlang der Y-Achse vorgesehen sind, wobei die zweiten zwei Kraftgeneratoren sich jeweils im positiven und negativen Bereich der Y-Achse befinden; und wobei die ersten zwei Kraftgeneratoren und die zweiten zwei Kraftgeneratoren periodisch betätigt werden, so dass der Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XY-Ebene ausführt.
    • (12) Die zwölfte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei ein XYZ-dreidimensionales Koordinatensystem mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse so definiert ist, dass eine Oberfläche des flexiblen Substrates parallel zu einer XY-Ebene liegt und auf dem flexiblen Sub strat ein Innenbereich in der Nachbarschaft eines Ursprungs bzw. ein Außenbereich darum herum definiert sind; wobei vier Kraftgeneratoren zur Ausübung einer Kraft in eine Richtung entlang der X-Achse vorgesehen sind, wobei die vier Kraftgeneratoren sich jeweils in dem Innenbereich und dem Außenbereich eines positiven Bereiches der X-Achse und in dem Innenbereich und dem Außenbereich eines negativen Bereiches der X-Achse befinden; und wobei die vier Kraftgeneratoren periodisch betätigt werden, so dass der Gewichtskörper eine Umlaufbewegung innerhalb der XZ-Ebene ausführt.
    • (13) Die dreizehnte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse so definiert ist, dass eine Oberfläche des flexiblen Substrates parallel zu einer XY-Ebene liegt: wobei vier Auslenkungsdetektoren zur Detektierung einer Auslenkung in eine Richtung entlang der Z-Achse vorgesehen sind, wobei sich die vier Auslenkungsdetektoren jeweils in einem positiven und einem negativen Bereich der X-Achse und in einem positiven und einem negativen Bereich der Y-Achse befinden; und wobei eine in die X-Achsen-Richtung des Gewichtskörpers ausgeübte Coriolis-Kraft unter Verwendung der Auslenkungsdetektoren detektiert wird, die sowohl im positiven als auch im negativen Bereich der X-Achse angeordnet sind, und eine in die Y-Achsen-Richtung des Gewichtskörpers ausgeübte Coriolis-Kraft unter Verwendung der Auslenkungsdetektoren detektiert wird, die sowohl im positiven als auch im negativen Bereich der Y-Achse angeordnet sind:
    • (14) Die vierzehnte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem mit einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse so definiert ist, dass eine Oberfläche des flexiblen Substrates parallel zu einer XY-Ebene liegt; wobei erste zwei Auslenkungsdetektoren zur Detektierung einer Auslenkung in eine Richtung entlang der X-Achse vorgesehen sind, wobei sich die ersten zwei Auslenkungsdetektoren in einem positiven bzw. in einem negativen Bereich der X-Achse befinden; wobei zweite zwei Auslenkungsdetektoren zur Detektierung einer Auslenkung in eine Richtung entlang der Y-Achse vorgesehen sind, wobei sich die zweiten zwei Auslenkungsdetektoren in einem positiven bzw. in einem negativen Bereich der Y-Achse befinden; und wobei eine in die X-Achsen-Richtung des Gewichtskörpers ausgeübte Coriolis-Kraft unter Verwendung der ersten zwei Auslenkungsdetektoren detektiert wird und eine in die Y-Achsen-Richtung des Gewichtskörpers ausgeübte Coriolis-Kraft unter Verwendung der zweiten zwei Auslenkungsdetektoren detektiert wird.
    • (15) Die fünfzehnte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei der Kraftgenerator und der Auslenkungsdetektor ein Kapazitätselement aufweisen, das ein Elektrodenpaar aufweist, dessen erste Elektrode an dem flexiblen Substrat befestigt ist und dessen zweite Elektrode an einem fixierten Substrat befestigt ist, das an dem Sensorgehäuse befestigt ist und sich gegenüber von dem flexiblen Substrat befindet.
    • (16) Die sechzehnte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei der Kraftgenerator und der Auslenkungsdetektor eine an dem flexiblen Substrat befestigte erste Elektrode, ein piezoelektrisches Element, das an der ersten Elektrode so befestigt ist, dass ein Biegen des flexiblen Substrates übertragen wird, und eine zweite an dem piezoelektrischen Element befestigte Elektrode in einer der ersten Elektrode gegenüberliegenden Position aufweisen.
    • (17) Die siebzehnte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei der Kraftgenerator und der Auslenkungsdetektor eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein zwischen der ersten und der zweiten Elektrode vorgesehenes piezoelektrisches Element aufweisen, wobei die erste Elektrode an dem flexiblen Substrat befestigt ist und die zweite Elektrode an einem fixierten Substrat befestigt ist, das an dem Sensorgehäuse befestigt ist und dem flexiblen Substrat gegenüberliegt.
    • (18) Die achtzehnte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der siebten oder achten Art: wobei ein Doppelfunktionselement bereitgestellt wird, das eine Funktion als Kraftgenerator und eine Funktion als ein Auslenkungsdetektor hat, und die Antriebseinrichtung und die Detektierungseinrichtung von dem Doppelfunktionselement gebildet werden.
    • (19) Die neunzehnte Art dieser Erfindung richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der ersten bis fünften Art: wobei die Trageinrichtung ein an dem Sensorgehäuse befestigtes fixiertes Substrat und ein an einem unteren Teil des fixierten Substrates befestigtes piezoelektrisches Element aufweist; wobei der Gewichtskörper an einem unteren Teil des piezoelektrischen Elementes befestigt ist; wobei eine Antriebseinrichtung eine Einrichtung zur Lieferung von Ladungen an einer vorherbestimmten Position des piezoelektrischen Elements aufweist; und wobei die Detektierungseinrichtung eine Einrichtung zum Messen von an einer vorherbestimmten Position des piezoelektrischen Elementes erzeugten Ladungen aufweist.
  • Gemäß den herkömmlicherweise verwendeten Winkelgeschwindigkeitssensoren wurde ein Lösungsansatz angewendet, um in dem Zustand, in dem der Gewichtskörper in eine erste Richtung zum Schwingen gebracht wird (einer Hin- und Herbewegung ausgesetzt wird), eine in eine zweite Richtung ausgeübte Coriolis-Kraft zu detektieren, um dabei eine Winkelgeschwindigkeit um eine dritte Achse zu erlangen. Aus diesem Grund war es für das Erlangen von Winkelgeschwindigkeitskomponenten um verschiedene Achsen notwendig, die Schwingungsrichtung oder die Detektierungsrichtung der Coriolis-Kraft zu variieren.
  • Die grundlegende Idee dieser Erfindung besteht darin, dass der Gewichtskörper zu einer Umlaufbewegung veranlasst wird, anstatt zum Schwingen gebracht zu werden. Wenn ein Objekt, das eine Umlaufbewegung ausführt, Moment für Moment erfasst wird, hat es Geschwindigkeitskomponenten in eine tangentiale Richtung der Umlaufbewegung. Wenn es möglich ist, in einem Moment eine bezüglich der ersten Achsenrichtung senkrecht zu der tangentialen Richtung auf den Gewichtskörper ausgeübte Coriolis-Kraft zu detektieren, ist es dementsprechend möglich, durch eine Operation (Berechnung) eine Winkelgeschwindigkeitskomponente um die zweite Achse zu erlangen, die sowohl zu der tangentialen Richtung als auch zu der ersten Achsenrichtung senkrecht ist.
  • Eine Schwingungsbewegung ist eine Hin- und Herbewegung entlang einer Achse zu jeder Zeit, wo eine Richtung einer Geschwindigkeitskomponente der Bewegung die Richtung entlang der einen Achse zu jeder Zeit ist. Dahingegen ist eine Richtung einer Geschwindigkeitskomponente einer Umlaufbewegung eine Richtung entlang einer tangentialen Linie (Tangente) der Umlaufbewegungsortskurve und variiert von Moment zu Moment. Aus diesem Grund können bei einer geeigneten Einstellung des Detektierungszeitpunkts einer Coriolis-Kraft Winkelgeschwindigkeitsdetektierungen bezüglich einer großen Vielfalt von Richtungen gemacht werden.
  • Während der Gewichtskörper unter einem theoretischen Gesichtspunkt zu jeder beliebigen Umlaufbewegung veranlasst werden kann, ist es unter einem praktischen Gesichtspunkt vorzuziehen den Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung als eine repräsentative Umlaufbewegung ausführen zu lassen. Die kreisförmige Bewegung kann durch einen relativ einfachen Mechanismus realisiert werden und wird folglich eine sehr stabile Bewegung. Da eine Richtung (tangentiale Richtung) einer Geschwindigkeitskomponente regelmäßig geändert wird, wird außerdem der Detektierungsablauf einer Coriolis-Kraft auch einfach. Besonders wenn ein Lösungsansatz angewendet wird, der den Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XY-Ebene des dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem ausführen lässt und eine Coriolis-Kraft detektiert, wenn der Gewichtskörper die X-Achse und die Y-Achse durchläuft, wird es möglich Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die jeweiligen Achsen in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem durch eine einfache Operation (Berechnung) zu erlangen.
  • Um den Gewichtskörper eine orbitale Bewegung ausführen zu lassen, wird der Gewichtskörper mit einem vorherbestimmten Freiheitsgrad innerhalb eines Sensorgehäuses beweglich getragen. Besonders wenn ein flexibles Substrat, dessen Umfangsteil an dem Gehäuse befestigt ist, als Trageinrichtung verwendet wird und der Gewichtskörper an dem Mittelteil des flexiblen Substrates befestigt ist, ist es möglich eine Umlaufbewegung innerhalb der Ebene des flexiblen Substrates oder innerhalb der dazu senkrechten Ebene leicht auszuführen.
  • Angenommen, dass eine Mehrzahl von Kraftgeneratoren zur Ausübung einer Kraft in eine vorherbestimmte Richtung auf einen vorherbestimmten Teil des flexiblen Substrates auf dem flexiblen Substrat angeordnet sind, um diese Kraftgeneratoren alternativ oder nacheinander zu betreiben, kann der Gewichtskörper nämlich eine Umlaufbewegung ausführen. Angenommen, dass hinsichtlich der Detektierung einer Coriolis-Kraft außerdem eine Mehrzahl von Auslenkungsdetektoren zur Detektierung einer Auslenkung in eine vorherbestimmte Richtung eines vorherbestimmten Teils des flexiblen Substrates auf dem flexiblen Substrat angeordnet sind, kann eine Detektierung einer in die vorherbestimmte Richtung ausgeübten Coriolis-Kraft gemacht werden. Man beachte, dass es dahingegen in dem Fall einer Ausübung einer Zentrifugalkraft durch die Umlaufbewegung notwendig ist, eine auf der Zentrifugalkraft basierende Coriolis-Kraft zu eliminieren, um eine von Haus aus vorhandene Coriolis-Kraft zu detektieren. Wenn der Gewichtskörper im Voraus zu einer konstanten Umlaufbewegung veranlasst wird, nimmt die ausgeübte Zentrifugalkraft einen bekannten Wert an, so dass die Detektierung der von Haus aus vorhandenen Coriolis-Kraft erleichtert wird.
  • Ein Kraftgenerator oder ein Auslenkungsdetektor können mit einem Kapazitätselement oder einem piezoelektrischen Element gebildet werden. Ein aus einem Elektrodenpaar gebildetes Kapazitätselement kann zum Beispiel als ein Kraftgenerator verwendet werden, der durch die Anlegung einer vorherbestimmten Spannung über beide Elektroden Coulombsche Kraft erzeugt. Wenn der Abstand zwischen den beiden Elektroden durch die Verschiebung von einer Elektrode variiert wird, wird darüber hinaus die elektrostatische Kapazität des Kapazitätselements variiert. Folglich kann eine solche Änderung auch elektrisch detektiert werden. Dementsprechend kann dieses Kapazitätselement auch als ein Auslenkungsdetektor verwendet werden. Auf ähnliche Weise kann ein piezoelektrisches Element, indem diesem eine vorherbestimmte Menge an Ladungen geliefert wird, als ein Kraftgenerator zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in eine vorherbestimmte Richtung verwendet werden. Wenn zusätzlich auf das piezoelektrische Element durch Auslenkung eine mechanische Spannung ausgeübt wird, werden in dem piezoelektrischen Element Ladungen erzeugt. Dementsprechend werden solche Ladungen elektrisch detektiert, wobei die Verwendung eines derartigen piezoelektrischen Elements als ein Auslenkungsdetektor ermöglicht wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die das grundlegende Prinzip eines herkömmlicherweise vorgeschlagenen Einachsen-Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, der Coriolis-Kraft nutzt.
  • 2 ist eine Ansicht, die Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die jeweiligen Achsen in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem zeigt, die von der Detektierung in dem Winkelgeschwindigkeitssensor betroffen sind.
  • 3 ist eine Ansicht zur Erklärung des grundlegenden Prinzips zur Detektierung der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse unter Verwendung eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung.
  • 4 ist eine Ansicht zur Erklärung des grundlegenden Prinzips zur Detektierung der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy um die Y-Achse unter Verwendung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung.
  • 5 ist eine Ansicht zur Erklärung des grundlegenden Prinzips zur Detektierung der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse unter Verwendung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung.
  • 6 ist eine Ansicht zur Erklärung eines anderen grundlegenden Prinzips zur Detektierung der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse unter Verwendung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung.
  • 7 ist eine Ansicht zur Erklärung eines anderen grundlegenden Prinzips zur Detektierung der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy um die Y-Achse unter Verwendung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung.
  • 8 ist eine Ansicht zur Erklärung eines anderen grundlegenden Prinzips zur Detektierung der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse unter Verwendung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung.
  • 9 ist eine Ansicht, die die jeweiligen Achsen zeigt, die in dem Fall an der Detektierung von Winkelgeschwindigkeit beteiligt sind, in dem der Gewichtskörper 40 zu einer kreisförmigen Bewegung entlang einer kreisförmigen Umlaufbahn 41 veranlasst wird.
  • 10 ist ein grundlegendes Diagramm zur Erklärung des ersten Detektierungsprinzips dieser Erfindung.
  • 11 ist ein grundlegendes Diagramm zur Erklärung des zweiten Detektierungsprinzips dieser Erfindung.
  • 12 ist ein Blockdiagramm, das die grundlegende Konfiguration eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung zeigt.
  • 13 ist ein grundlegendes Diagramm zur Erklärung des ersten Detektierungsprinzips dieser Erfindung in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem.
  • 14 ist ein grundlegendes Diagramm zur Erklärung des zweiten Detektierungsprinzips dieser Erfindung in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem.
  • 15 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Konfiguration und der Anordnung der in 12 gezeigten Antriebseinrichtung zeigt.
  • 16 ist eine Ansicht zur Erklärung der Arbeitsweise, um den Gewichtskörper durch die in 15 gezeigte Antriebseinrichtung zur Ausführung einer kreisförmigen Bewegung zu veranlassen.
  • 17 ist ein Wellenformdiagramm, das Stromsignale S1 bis S4 zeigt, die an Kraftgeneratoren G1 bis G4 geliefert werden, die die in 15 gezeigte Antriebseinrichtung bilden.
  • 18 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Konfiguration und der Anordnung bezüglich der in 12 gezeigten Antriebseinrichtung und Detektierungseinrichtung zeigt.
  • 19 ist eine Seitenquerschnittsansicht, die eine Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, wobei der Kraftgenerator und der Auslenkungsdetektor aus Kapazitätselementen gebildet werden.
  • 20 ist eine Draufsicht auf ein flexibles Substrate 110 in dem in 19 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von oben, wobei in 19 der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 20 gezeigten flexiblen Substrates 110 gezeigt wird.
  • 21 ist eine Seitenquerschnittsansicht, die eine andere Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, wobei der Kraftgenerator und der Auslenkungsdetektor von Kapazitätselementen gebildet werden.
  • 22 ist eine Draufsicht auf ein flexibles Substrat 110 in dem in 21 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von oben, wobei in 21 der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 22 gezeigten flexiblen Substrates 110 gezeigt wird.
  • 23A und 23B sind Ansichten zur Erklärung der Polarisierungseigenschaft des piezoelektrischen Elements vom Typ I, das für den Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Erfindung verwendet wird.
  • 24A und 24B sind Ansichten zur Erklärung der Polarisierungseigenschaft des piezoelektrischen Elements vom Typ II, das für den Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Erfindung verwendet wird.
  • 25 ist eine Seitenquerschnittsansicht, die eine Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, in dem der Kraftgenerator und der Auslenkungsdetektor von einem in 23A und 23B gezeigten piezoelektrischen Element vom Typ I gebildet werden.
  • 26 ist eine Draufsicht auf ein flexibles Substrat 210 in dem in 25 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von oben, wobei in 25 der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 26 gezeigten flexiblen Substrates 210 gezeigt wird.
  • 27 ist eine Querschnittansicht, die eine weitere Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, in dem der Kraftgenerator und der Auslenkungsdetektor von einem in 23A und 23B gezeigten piezoelektrischen Element vom Typ I gebildet werden.
  • 28 ist eine Draufsicht auf ein flexibles Substrat 210 in dem in 27 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von oben, in dem in 27 der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 28 gezeigten flexiblen Substrates 210 gezeigt wird.
  • 29 ist ein Seitenquerschnittsdiagramm, das eine Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, wobei der Kraftgenerator und der Auslenkungsdetektor von einem in 24A und 24B gezeigten piezoelektrischen Element vom Typ II gebildet werden.
  • 30 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element 330 in dem in 29 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von oben.
  • 31 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element 330 in dem in 29 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von unten.
  • 32 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element 300 in einem modifizierten Beispiel des in 29 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors von oben.
  • 33 ist eine Seitenquerschnittsansicht eines anderen modifizierten Beispiels des in 29 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors.
  • 34 ist eine Konzeptansicht, die ein Beispiel der Konfiguration eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, der ein Doppelfunktionselement zur Krafterzeugung und zur Auslenkungsdetektierung verwendet.
  • 35 ist eine Seitenquerschnittsansicht, die eine Ausführungsform zeigt, in der ein Doppelfunktionselement auf den Winkelgeschwindigkeitssensor aufgebracht ist, wobei in 19 gezeigte Kapazitätselemente verwendet werden, so dass die Struktur vereinfacht wird.
  • 36 ist eine Draufsicht eines flexiblen Substrats 110 in dem in 35 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von oben, wobei in 35 der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 36 gezeigten flexiblen Substrates 110 gezeigt wird.
  • 37 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Signalverarbeitungsschaltung zeigt, die zum Betreiben des in 35 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors verwendet wird.
  • 38 ist eine Seitenquerschnittsansicht, die eine Ausführungsform zeigt, in der ein Doppelfunktionselement auf den Winkelgeschwindigkeitssensor auf gebracht ist, wobei ein piezoelektrisches Element vom in 25 gezeigten Typ I verwendet wird, so dass die Struktur vereinfacht wird.
  • 39 ist eine Draufsicht auf das flexible Substrat 210 in dem in 38 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von oben, wobei in 38 der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 39 gezeigten flexiblen Substrates 210 gezeigt wird.
  • 40 ist eine Seitenquerschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform zeigt, in der ein Doppelfunktionselement auf den Winkelgeschwindigkeitssensor aufgebracht ist, wobei ein piezoelektrischen Elements vom in 25 gezeigten Typ I verwendet wird.
  • 41 ist eine Draufsicht auf das flexible Substrat 210 in dem in 40 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von oben, wobei in 40 der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 41 gezeigten flexiblen Substrates gezeigt wird.
  • 42 ist eine Seitenquerschnittsansicht, die die Verteilung der mechanischen Spannung zeigt, die erzeugt wird, wenn das flexible Substrat 210, das den Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Erfindung bildet, zum Biegen veranlasst wird.
  • 43 ist eine Planansicht, die den Innenbereich A1 und den Außenbereich B2 zeigt, die auf der Basis der in 42 gezeigten Verteilung der mechanischen Spannung bestimmt werden.
  • 44 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Signalverarbeitungsschaltung zeigt, die zum Betreiben des in 38 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor verwendet wird.
  • 45 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Signalverarbeitungsschaltung zeigt, die zum Betreiben des in 29 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors verwendet wird.
  • 46 ist eine Seitenquerschnittsansicht, die eine Ausführungsform zeigt, in der ein Doppelfunktionselement auf den Winkelgeschwindigkeitssensor auf gebracht ist, wobei ein in 29 gezeigtes piezoelektrisches Element vom Typ II verwendet wird, so dass die Struktur vereinfacht wird.
  • 47 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element 330 in dem in 46 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor von oben, wobei in 46 der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 47 gezeigten piezoelektrischen Elements 330 gezeigt wird.
  • 48 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Signalverarbeitungsschaltung zeigt, die zum Betreiben des in 46 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors verwendet wird.
  • 49 ist eine Seitenquerschnittsansicht eines modifizierten Beispiels des in 46 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Untenstehend wird diese Erfindung jetzt entsprechend den gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
  • §1 Detektierungsgrinzip von Winkelgeschwindigkeit
  • Anfangs wird kurz ein Detektierungsprinzip einer Winkelgeschwindigkeit durch einen Einachsen-Winkelgeschwindigkeitssensor beschrieben, das die Grundlage eines Mehrachsen- Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung bildet. 1 ist eine Ansicht, die ein grundlegendes Prinzip eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, der in der unter der Aufsicht des japanischen Patentamts erstellten japanischen Zeitschrift „THE INVENTION", Band 90, Nr. 3 (1993), Seite 60 offenbart wurde. Es wird ein Oszillator 10 in einer quadratischen Pfostenform bereitgestellt und jetzt in Verbindung mit einem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem betrachtet, in dem X-, Y- und Z-Achse in die wie gezeigten Richtungen definiert sind. In dem Fall, in dem der Oszillator 10 eine Drehbewegung bei einer Winkelgeschwindigkeit ω ausführt, wobei die Z-Achse die Drehachse ist, tritt in einem solchen System bekanntlich ein wie unten beschriebenes Phänomen auf.
  • Wenn der Oszillator 10 nämlich zur Erzeugung einer derartigen Schwingung U veranlasst wird, dass er in die X-Achsen-Richtung hin- und herschwingt, tritt eine Coriolis-Kraft F in die Y-Achsen-Richtung auf. Mit anderen Worten, wenn der Oszillator 10 zum Drehen gebracht wird, wobei die Z-Achse in dem Zustand, in dem er entlang der X-Achse der Figur zum Schwingen gebracht wird, eine Mittelachse ist, wird eine Coriolis-Kraft F in der Y-Achsen-Richtung erzeugt. Dieses Phänomen ist ein dynamisches Phänomen, das seit langem als Foucaultsches Pendel bekannt ist. Eine erzeugte Coriolis-Kraft F wird wie folgend ausgedrückt: F = 2m·v·ω
  • In der obenstehenden Formel ist m die Masse des Oszillators 10, ist v eine Momentangeschwindigkeit bezüglich der Schwingung des Oszillators 10 und ist ω eine Winkelmomentangeschwindigkeit des Oszillators 10.
  • Der in der vorhergehend beschriebenen Zeitschrift offenbarte Winkelgeschwindigkeitssensor dient der Detektierung einer Winkelgeschwindigkeit ω unter Nutzung des obengenannten Phänomens. Wie in 1 gezeigt, wird nämlich ein erstes piezoelektrisches Element 11 an einer ersten Oberfläche des Oszillators 10 in einer quadratischen Pfostenform angebracht und ein zweites piezoelektrisches Element 12 an einer zweiten Oberfläche angebracht, die senkrecht zu der ersten Oberfläche ist. Als piezoelektrische Elemente 11, 12 wird ein Element in einer Plattenform verwendet, das aus piezoelektrischer Keramik gebildet ist. Um den Oszillator 10 die Schwingung U erzeugen zu lassen, wird das piezoelektrische Element 11 verwendet. Um ferner eine erzeugte Coriolis-Kraft F zu detektieren, wird das piezoelektrische Element 12 verwendet. Wenn nämlich eine Wechselstromspannung an das piezoelektrische Element 11 angelegt wird, wiederholt dieses piezoelektrische Element 11 Expansions- und Kontraktions-Bewegungen und schwingt in die X-Achsen-Richtung. Diese Schwingung U wird auf den Oszillator 10 übertragen, so dass der Oszillator 10 in die X-Achsen-Richtung schwingt. Wenn der Oszillator 10 sich bei einer Winkelgeschwindigkeit ω selber dreht, wobei die Z-Achse in dem Zustand, in dem der Oszillator 10 zur Schwingung U veranlasst wird, eine Mittelachse ist, wird wie oben angegeben von dem oben beschriebenen Phänomen eine Coriolis-Kraft F in die Y-Achsen-Richtung erzeugt. Da diese Coriolis-Kraft F in einer Dicke-Richtung des piezoelektrischen Elements 12 ausgeübt wird, wird über beide Oberflächen des piezoelektrischen Elements 12 eine Spannung V erzeugt, die proportional zu der Coriolis-Kraft F ist. Dementsprechend wird es durch das Messen dieser Spannung V möglich eine Winkelgeschwindigkeit ω zu detektieren.
  • Der oben beschriebene Winkelgeschwindigkeitssensor dient als ein Einachsen-Winkelgeschwindigkeitssensor zur Detektierung einer Winkelgeschwindigkeitskomponente um die Z-Achse und ist daher nicht in der Lage, eine Winkelgeschwindigkeitskomponente um die X-Achse oder die Y-Achse zu detektieren. Mehrachsen-Winkelgeschwindigkeitssensoren, nach denen momentan in der Industrie eine Nachfrage besteht, sind, wie in 2 gezeigt, ein Mehrachsen-Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse (den Umständen entsprechend nachstehend einfach als eine Winkelgeschwindigkeit ωx bezeichnet), bzw. eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy um die Y-Achse (den Umständen entsprechend nachstehend einfach als eine Winkelgeschwindigkeit ωy bezeichnet) bzw. eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse (den Umständen entsprechend nachstehend einfach als eine Winkelgeschwindigkeit ωz bezeichnet) in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem bezüglich eines vorherbestimmten Objektes 20 unabhängig voneinander detektieren kann.
  • Das grundlegende Prinzip davon wird nun mit Bezug auf 3 bis 5 beschrieben. Es wird nun davon ausgegangen, dass ein Oszillator 30 an der Ursprungsposition des dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystems platziert wird. Um die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse des Oszillators 30 zu detektieren, reicht es aus, eine in die Y-Achsen-Richtung erzeugte Coriolis-Kraft Fy zu messen, wenn der Oszillator 30 zu einer Schwingung Uz in die Z-Achsen-Richtung veranlasst wird, wie in 3 gezeigt. Die Coriolis-Kraft Fy nimmt einen zur Winkelgeschwindigkeit ωx proportionalen Wert an. Um die Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse des Oszillators 30 zu detektieren, reicht es ferner aus, eine in die Z-Achsen-Richtung erzeugte Coriolis-Kraft Fz zu messen, wenn der Oszillator 30 zu einer Schwingung Ux in die X-Achsen-Richtung veranlasst wird, wie in 4 gezeigt. Die Coriolis-Kraft Fz nimmt einen zur Winkelgeschwindigkeit ωy proportionalen Wert an. Um die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse des Oszillators 30 zu detektieren, reicht es darüber hinaus aus, eine in die X-Achsen-Richtung erzeugte Coriolis-Kraft Fx zu messen, wenn der Oszillator 30 zu einer Schwingung Uy in die Y-Achsen-Richtung veranlasst wird, wie in 5 gezeigt. Die Coriolis-Kraft Fx nimmt einen zur Winkelgeschwindigkeit ωz proportionalen Wert an.
  • Um schließlich die Winkelgeschwindigkeitskomponenten bezüglich aller jeweiligen Achsen in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem zu detektieren, sind der Mechanismus, um den Oszillator 30 in die X-Achsen-Richtung zum Schwingen zu bringen, der Mechanismus, um ihn in die Y-Achsen-Richtung zum Schwingen zu bringen, und der Mechanismus, um ihn in die Z-Achsen-Richtung zum Schwingen zu bringen; und der Mechanismus zur Detektierung der auf den Oszillator 30 aufgebrachten Coriolis-Kraft Fx in die X-Achsen-Richtung, der Mechanismus zur Detektierung der darauf aufgebrachten Coriolis-Kraft Fy in die Y-Achsen-Richtung und der Mechanismus zur Detektierung der darauf aufgebrachten Coriolis-Kraft Fz in die Z-Achsen-Richtung erforderlich. Um die Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen zu detektieren, kann dennoch nicht notwendigerweise gesagt werden, dass die oben erwähnten Mechanismen alle erforderlich sind. An Stelle des oben beschriebenen, in 3 und 5 gezeigten Prinzips kann eine Detektierung gemacht werden, die das in 6 bis 8 gezeigte Prinzip verwendet. Eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse des Oszillators 30 kann nämlich durch Messen der in die Z-Achsen-Richtung erzeugten Coriolis-Kraft Fz detektiert werden, wenn der Oszillator 30 zu einer Schwingung Uy in die Y-Achsen-Richtung veranlasst wird, wie in 6 gezeigt. Außerdem kann eine Winkelge schwindigkeit ωy um die Y-Achse des Oszillators 30 durch Messen der in die X-Achsen-Richtung erzeugten Coriolis-Kraft Fx detektiert werden, wenn der Oszillator 30 zu einer Schwingung Uz in die Z-Achsen-Richtung veranlasst wird, wie in 7 gezeigt. Eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse des Oszillators 30 kann außerdem durch Messen der in die Y-Achsen-Richtung erzeugten Coriolis-Kraft Fy detektiert werden, wenn der Oszillator 30 zu einer Schwingung Ux in die X-Achsen-Richtung veranlasst wird, wie in 8 gezeigt.
  • Im Fall von Detektierung von Winkelgeschwindigkeitskomponenten um zwei Achsen reicht es dementsprechend aus, einen Oszillationsmechanismus und zwei Detektierungsmechanismen vorzusehen. Im Fall von Detektierung von Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse durch das in 3 gezeigte Prinzip und Detektierung von Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse durch das in 7 gezeigte Prinzip reicht es zum Beispiel aus, den Mechanismus zur Erzeugung von Schwingung in die Z-Achsen-Richtung, den Mechanismus zur Detektierung von Coriolis-Kraft Fy in die Y-Achsen-Richtung und den Mechanismus zur Detektierung von Coriolis-Kraft Fx in die X-Achsen-Richtung vorzusehen. In diesem Fall ist es möglich Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die X-Achse und die Y-Achse in dem Zustand zu detektieren, in dem der Oszillator 30 zu einer Schwingung in die Z-Achsen-Richtung veranlasst wird. Es ist jedoch unmöglich Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse in dem Zustand zu detektieren, in dem der Oszillator 30 zu einer Schwingung in die Z-Achsen-Richtung veranlasst wird. Um Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse zu detektieren, ist es notwendig eine Änderung vorzunehmen, um den Oszillator 30 in die X-Achsen-Richtung (8) oder in die Y-Achsen-Richtung (5) schwingen zu lassen.
  • Wie oben angegeben, ist es für die Detektierung von Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen in dem herkömmlicherweise vorgeschlagenen Winkelgeschwindigkeitssensor notwendig den Oszillator 30 zumindest in zwei Richtungen zum Schwingen zu bringen. Um jedoch in der Praxis die Schwingungsrichtung des Oszillators zu ändern, ist es notwendig die Schwin gung des Gewichtskörpers zum Stillstand zu bringen, um ihn daraufhin zum zweiten Mal in eine neue Schwingungsrichtung schwingen zu lassen. Aus diesem Grund wird eine bestimmte Zeit benötigt. Besonders um einen Detektierungswert von hoher Genauigkeit zu erlangen, ist es notwendig zu warten, bis der Schwingungszustand stabil wird. Folglich würde das Ansprechen stark herabgesetzt werden. Es ist zum Beispiel möglich Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse und Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse in dem Zustand zu detektieren, in dem der Oszillator zu einer Schwingung in die Z-Achsen-Richtung veranlasst wird. Um jedoch anschließend Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse zu detektieren, ist es notwendig den Oszillator zum Stillstand zu bringen und ihn danach zum Schwingen zu bringen, z.B. zum zweiten Mal in die X-Achsen-Richtung. Es ist außerdem unmöglich, Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse zu detektieren, bis die Schwingung in die X-Achsen-Richtung stabil wird. In Fall der Notwendigkeit einer Detektierung der Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy und ωz um drei Achsen der Reihe nach auf Echtzeitbasis, würde dementsprechend ein relativ gesehen herabgesetztes Ansprechen erfolgen.
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Winkelgeschwindigkeitssensor vorzusehen, der solche Probleme im Stand der Technik löst und Winkelgeschwindigkeitskomponenten bezüglich mehrerer verschiedener Achsen mit gutem Ansprechen detektieren kann.
  • §2 Detektierungsprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindun
  • Nachfolgend wird das Detektierungsprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung beschrieben. Es wird nun davon ausgegangen, dass ein Objekt (in dieser Beschreibung nachstehend als ein Gewichtskörper bezeichnet) 40 mit einer vorherbestimmten Masse m eine Umlaufbewegung entlang einer vorherbestimmten Umlaufbahn 41 ausführt, wie in 9 gezeigt. Die hier erwähnte „Umlaufbewegung" kann eine beliebige Bewegung entlang einer Umlaufbahn sein, die aus einer geschlossenen Schleife gebildet ist. Dementsprechend kann eine elliptische Bewegung oder eine Bewegung auf einer Umlaufbahn einschließlich einer Parabel, einer Hyperbel oder einer freien Kurve angewendet werden. In der Praxis ist jedoch die Anwendung einer kreisförmigen Bewegung vorzuziehen, weil es die einfachste ist. Im Hinblick darauf wird die Erklärung in allen unten beschriebenen Ausführungsformen in Verbindung mit dem Beispiel gegeben, in dem der Gewichtskörper 40 zu einer kreisförmigen Bewegung veranlasst wird, aber diese Erfindung ist nicht auf eine derartige kreisförmige Bewegung begrenzt. In dem Fall, in dem der Gewichtskörper 40 eine kreisförmige Bewegung ausführt, wird die Umlaufbahn 41 eine kreisförmige Umlaufbahn mit einem Mittelpunkt 0 und einem Radius r. Wenn man nun Überlegungen in Verbindung mit Geschwindigkeitskomponenten des Gewichtskörpers 40 anstellt, richten diese sich auf eine tangentiale Richtung Dt der kreisförmigen Umlaufbahn 41. Zu diesem Zeitpunkt werden Überlegungen in Verbindung mit zwei Richtungen angestellt, die senkrecht zu der tangentialen Richtung Dt sind. Da der Gewichtskörper 40 die kreisförmige Bewegung in dem Beispiel von 9 ausführt, werden Überlegungen in Verbindung mit der radialen Richtung Dr der kreisförmigen Bewegung und der Richtung Du angestellt, die senkrecht zu der Ebene ist, die die kreisförmige Umlaufbahn 41 umfasst. In diesem Fall sind die zwei Achsen Dt, Dr nur in einem Moment definiert. Wenn Zeit vergeht, bewegt sich der Gewichtskörper 40 entlang der kreisförmigen Umlaufbahn 41. Aus diesem Grund ändern sich die Richtungen der jeweiligen Achsen. Dementsprechend sind die jeweiligen physikalischen Aktionen in den zwei unten beschriebenen Detektierungsprinzipien alle physikalische Aktionen in einem Moment.
  • 10 ist eine grundlegende Ansicht zur Erklärung des ersten Detektierungsprinzips dieser Erfindung. Wenn der Gewichtskörper 40 mit der Masse m wie oben beschrieben eine kreisförmige Bewegung entlang der kreisförmigen Umlaufbahn 41 ausführt, ist der Geschwindigkeitsvektor Vt des Gewichtskörpers 40 in die tangentiale Richtung Dt gerichtet. Wenn angenommen wird, dass eine Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse entlang der radialen Richtung Dr bezüglich der Gesamtheit des Detektierungssystems aufgebracht (ausgeübt) wird, wird zu diesem Zeitpunkt entlang der Richtung Du, die senkrecht zu der kreisförmigen Umlaufbahn 41 ist (die Richtung, die senkrecht zu der Ebene ist, die den Kreis umfasst) eine Coriolis-Kraft Fco erzeugt. Zwischen der Coriolis-Kraft Fco, der Masse m des Gewichtskörpers 40, der Geschwindigkeit Vt in die tangentiale Richtung des Gewichtskörpers und der ausgeübten Winkelgeschwindigkeit ω gilt die folgende unten ausgedrückte Beziehung: Fco = 2m·Vt·ω
  • In der obenstehenden Formel ist m ein Wert, der als Masse des Gewichtskörpers 40 bekannt sein kann. Darüber hinaus ist die Geschwindigkeit Vt ein Wert, der gemessen werden kann. Besonders wenn der Gewichtskörper 40 von einem vorherbestimmten Antriebsmechanismus mit einer konstanten Geschwindigkeit entlang der kreisförmigen Umlaufbahn 41 bewegt wird, nimmt die Geschwindigkeit Vt zu allen Zeitpunkten einen festen bekannten Wert an. Wenn die Coriolis-Kraft Fco detektiert werden kann, ist es dementsprechend möglich Winkelgeschwindigkeit ω durch eine Operation (Berechnung) auf der Basis der oben beschriebenen Formel zu erlangen. In dem Fall, in dem der Gewichtskörper 40 wie in diesem Beispiel eine kreisförmige Bewegung entlang der kreisförmigen Umlaufbahn 41 ausführt, wirkt keine auf der kreisförmigen Bewegung basierende Zentrifugalkraft bezüglich der Richtung Du, die senkrecht zu der kreisförmigen Umlaufbahn 41 ist, ein. Wenn keine externe Kraft wie z.B. eine Beschleunigungskraft oder eine elektromagnetische Kraft, etc. auf den Gewichtskörper 40 einwirkt, wird die in die Richtung Du bezüglich des Gewichtskörpers 40 ausgeübte Kraft Fu gleich der Coriolis-Kraft Fco. Im Hinblick darauf ist es möglich die Coriolis-Kraft Fco durch die Detektierung der Kraft Fu in die Richtung Du zu erlangen.
  • Schließlich zeigt das erste Detektierungsprinzip, dass bei der Erlangung der in die Du-Richtung auf den Gewichtskörper 40 ausgeübten Kraft Fu in dem Zustand, in dem der Gewichtskörper 40 zu einer kreisförmigen Bewegung veran lasst wird, beachtet wird, dass die Kraft Fu eine Coriolis-Kraft Fco ist, die in der oben beschriebenen Formel verwendet werden kann. Deshalb kann eine Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse entlang der radialen Richtung Dr der kreisförmigen Bewegung erlangt werden. In diesem Fall ist die radiale Richtung Dr der kreisförmigen Bewegung eine Richtung, die durch den Pfeil angezeigt wird, der von dem Mittelpunkt 0 nach außen zeigt, und eine Richtung, die innerhalb der Ebene, die die kreisförmige Umlaufbahn 41 umfasst, von Moment zu Moment variiert. Wenn die auf dem ersten Detektierungsprinzip basierende Winkelgeschwindigkeitsdetektierung ausgeführt wird, wird es dementsprechend möglich Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die Achsen entlang aller Richtungen innerhalb der Ebene zu detektieren, während der Gewichtskörper 40 eine kreisförmige Bewegung entlang der kreisförmigen Umlaufbahn 41 macht.
  • Auf der anderen Seite ist 11 ein grundlegendes Diagramm zur Erklärung des zweiten Detektierungsprinzips dieser Erfindung. Wenn der Gewichtskörper 40 mit der Masse m ähnlich wie bei dem vorhergehend beschriebenen ersten Detektierungsprinzip zu einer kreisförmigen Bewegung entlang der kreisförmigen Umlaufbahn 41 veranlasst wird, ist der Geschwindigkeitsvektor Vt des Gewichtskörpers 40 in die tangentiale Richtung Dt gerichtet, wie in 11 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt wird unter der Annahme, dass die Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse entlang der Richtung Du ausgeübt wird, die bezüglich der Gesamtheit des Detektierungssystems senkrecht zu der kreisförmigen Umlaufbahn 41 ist, eine Coriolis-Kraft Fco entlang der radialen Richtung Dr der kreisförmigen Bewegung erzeugt. Zwischen der Coriolis-Kraft Fco, der Masse m des Gewichtskörpers 40, der Tangentialrichtungsgeschwindigkeit Vt des Gewichtskörpers 40 und der ausgeübten Winkelgeschwindigkeit ω gilt die folgend unten ausgedrückte Beziehung. Fco = 2m·Vt·ω
  • Wenn es möglich ist, Coriolis-Kraft Fco ähnlich wie bei dem oben beschriebenen ersten Detektierungsprinzip zu detektieren, ist es dementspre chend möglich, durch eine Operation (Berechnung) Winkelgeschwindigkeit ω auf der Basis der oben beschriebenen Formel zu erlangen. Man beachte jedoch, dass sich das zweite Detektierungsprinzip von dem ersten Detektierungsprinzip darin unterscheidet, dass die auf der kreisförmigen Bewegung basierende Zentrifugalkraft Fce in die radiale Richtung Dr hinzugefügt wird. Nimmt man nämlich an, dass keine externe Kraft, wie z.B. eine Beschleunigungskraft oder elektromagnetische Kraft, usw. auf den Gewichtskörper 40 ausgeübt wird, wird die bezüglich des Gewichtskörpers 40 in die radiale Richtung Dr ausgeübte Kraft Fr gleich einem Wert, der durch Synthetisierung der Coriolis-Kraft Fco mit der Zentrifugalkraft Fce erlangt wird. Wenn die kreisförmige Bewegung festgelegt werden kann, kann in diesem Fall die Größe der Zentrifugalkraft Fce durch Berechnung erlangt werden. Wenn nämlich die Masse der Gewichtskörpers m ist, der Radius der kreisförmigen Bewegung r ist und die Winkelgeschwindigkeit der kreisförmigen Bewegung Ω ist, kann ein Wert der Zentrifugalkraft Fce durch die folgende Formel erlangt werden: Fce = m·r·Ω2.
  • Im Hinblick darauf kann die Coriolis-Kraft Fco erlangt werden, wenn die Kraft Fr entlang der radialen Richtung Dr detektiert wird und die Komponente der Zentrifugalkraft Fce davon eliminiert wird.
  • Das zweite Detektierungsprinzip zeigt schließlich, dass es bei der Erlangung der bezüglich des Gewichtskörpers 40 in die radiale Richtung Dr ausgeübten Kraft Fu in dem Zustand, in dem der Gewichtskörper 40 zu einer kreisförmigen Bewegung veranlasst wird, und bei der Erlangung eines Wertes einer Coriolis-Kraft Fco durch Eliminieren der Komponente Fce der Zentrifugalkraft von der Kraft Fr unter Verwendung der oben beschriebenen Formel möglich ist eine Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse entlang der Richtung Du zu erlangen, die senkrecht zu der kreisförmigen Umlaufbahn 41 ist.
  • Man beachte, dass es im Fall einer externen Kraft, wie z.B. einer Beschleunigungskraft oder elektromagnetischen Kraft, usw. (in dem Fall, in dem der Gewichtskörper 40 ein magnetischer Körper ist, besteht ein Einfluss) ausreicht, einen herkömmlichen Beschleunigungssensor oder einen herkömmlichen magnetischen Sensor, usw. zu verwenden, um Beschleunigungskraft oder magnetische Kraft zu detektieren, um eine auf dem Detektierungswert basierende Korrektur auszuführen. Im Fall einer Ausführung der Detektierung auf der Basis des ersten Detektierungsprinzips ist es z.B. ausreichend, die auf der Beschleunigungskraft oder magnetischen Kraft basierende Komponente von der in die Du-Richtung ausgeübten Kraft Fu zu eliminieren, um Coriolis-Kraft Fco zu erlangen. Im Fall einer Ausführung der Detektierung auf der Basis des zweiten Detektierungsprinzips ist es ausreichend, die Zentrifugalkraft Fce von der in die Dr-Richtung ausgeübten Kraft Fr zu eliminieren und die auf einer Beschleunigungskraft oder magnetischen Kraft basierende Komponente zu eliminieren, um so Coriolis-Kraft Fco zu erlangen.
  • 12 ist ein Blockdiagramm, das die grundlegende Konfiguration eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, der eine Detektierung von Winkelgeschwindigkeit durch das oben genannte Prinzip ausführt. Da der Gewichtskörper 40 eine kreisförmige Bewegung entlang der vorherbestimmten Umlaufbahn 41 ausführen sollte, besteht die Notwendigkeit zur Beherbergung des Gewichtskörpers 40 innerhalb eines Sensorgehäuses 42, damit die Umlaufbewegung nicht behindert wird. Deshalb ist es notwendig, dass der Gewichtskörper 40 durch das Gehäuse 42 getragen wird. Da jedoch die Umlaufbewegung nicht ausgeführt werden kann, wenn der Gewichtskörper 40 an dem Sensorgehäuse 42 befestigt ist, ist eine Trageinrichtung 43 erforderlich, um ihn mit einem vorherbestimmten Freiheitsgrad beweglich zu tragen. Darüber hinaus werden eine Antriebseinrichtung 44, um den Gewichtskörper 40 eine Umlaufbewegung ausführen zu lassen, eine Detektierungseinrichtung 45 zur Detektierung von Coriolis-Kraft, die für das oben beschriebene Detektierungsprinzip unumgänglich ist, und eine Operationseinrichtung 46 zur Ausführung einer Operation (Berechnung) auf der Basis des oben beschriebenen Detektierungsprinzips zu wesentlichen Komponenten. Wie diese jeweiligen Komponenten in einer prak tischeren Weise realisiert werden, wird im Detail in den praktischeren Ausführungsformen beschrieben, die später beschrieben werden.
  • §3 Detektierung von Winkelgeschwindigkeitskomponenten um drei Achsen in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem
  • Während die Detektierung einer Winkelgeschwindigkeitskomponente um eine beliebige Achse entsprechend dem oben beschriebenen grundlegenden Prinzip gemacht werden kann, reichen unter dem Gesichtspunkt des praktischen Gebrauchs die drei Komponenten der Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse, die Komponente ωy um die Y-Achse und die Komponente ωz um die Z-Achse in dem dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystem aus. Im Hinblick darauf wird nun untenstehend das Prinzip zur Ausführung einer solchen Detektierung von Winkelgeschwindigkeitskomponenten um die drei Achsen beschrieben.
  • Nun wird ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem wie in 13 gezeigt definiert. Angenommen, eine Umlaufbahn 41, die aus einem Kreis gebildet wird, befindet sich innerhalb der XY-Ebene mit dem Ursprung 0 als der Mitte und der Gewichtskörper 40 führt eine kreisförmige Bewegung entlang der Umlaufbahn 41 aus. Der Gewichtskörper 40 führt schließlich eine derartige kreisförmige Bewegung aus, dass er um den Ursprung 0 innerhalb der XY-Ebene kreist. Deshalb wird die auf dem in Kapitel §2 beschriebenen, grundlegenden Prinzip basierende Winkelgeschwindigkeitsdetektierung ausgeführt, wenn der Gewichtskörper 40 die X-Achse und die Y-Achse durchläuft.
  • Zunächst betrachte man die auf dem in Kapitel §2 beschriebenen ersten Detektierungsprinzip basierende Detektierung. Wie in 13 gezeigt, durchläuft der Gewichtskörper 40 die X-Achse am Punkt Px. Da der Momentangeschwindigkeitsvektor Vy des Gewichtskörpers 40 an dem Punkt Px zu diesem Zeitpunkt in die tangentiale Richtung der kreisförmigen Umlaufbahn 41 gerichtet ist, wird der Vektor Vy parallel zur Y-Achse. Wenn ferner zu diesem Zeitpunkt eine auf den Gewichtskörper 40 ausgeübte Kraft Fz in die Z-Achsen-Richtung erlangt wird, ist die Kraft Fz gleich einer Coriolis-Kraft Fco, die auf der Basis der auf die Gesamtheit des Detektierungssystems ausgeübten Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse erzeugt wird. Dementsprechend kann, wenn die auf den Gewichtskörper 40 ausgeübte Kraft Fz an dem Punkt Px detektiert wird, die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse durch die folgende Formel erlangt werden Fz = Fco = 2m·Vy·ωx,wobei die Masse des Gewichtskörpers 40 m ist.
  • Darüber hinaus durchläuft der Gewichtskörper 40 die X-Achse am Punkt Py. Da der Momentangeschwindigkeitsvektor Vx des Gewichtskörpers 40 an dem Punkt Py zu diesem Zeitpunkt in die tangentiale Richtung der kreisförmigen Umlaufbahn 41 gerichtet ist, wird der Vektor Vx parallel zur X-Achse. Wenn ferner zu diesem Zeitpunkt eine auf den Gewichtskörper ausgeübt Kraft Fz in die Z-Achsen-Richtung erlangt wird, ist die Kraft Fz gleich einer Coriolis-Kraft Fco, die auf der Basis der auf die Gesamtheit des Detektierungssystems ausgeübten Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse erzeugt wird. Dementsprechend kann, wenn die auf den Gewichtskörper 40 ausgeübte Kraft Fz an dem Punkt Py detektiert wird, die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy um die Y-Achse durch die folgende Formel erlangt werden Fx = Fco = 2m·Vx·ωy,wobei die Masse des Gewichtskörpers 40 m ist.
  • Gemäß dem in Kapitel §2 beschriebenen ersten Detektierungsprinzip ist es schließlich möglich, eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse zu dem Zeitpunkt zu detektieren, zu dem der Gewichtskörper 40 die X-Achse durchläuft, und eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy um die Y-Achse zu dem Zeitpunkt zu detektieren, zu dem der Gewichtskörper 40 die Y-Achse durchläuft.
  • Anschließend betrachte man die Detektierung durch das zweite in Kapitel §2 beschriebene Detektierungsprinzip. Wie in 14 gezeigt, wird eine auf den Gewichtskörper 40 ausgeübte Kraft Fx in die X-Achsen-Richtung erlangt, wenn der Gewichtskörper 40 die X-Achse am Punkt Px durchläuft. Die erlangte Kraft Fx ist gleich einer synthetischen Kraft aus einer Coriolis-Kraft Fco, die auf der Basis einer auf die Gesamtheit des Detektierungssystems ausgeübten Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse erzeugt wird, und einer auf den Gewichtskörper 40 ausgeübten Zentrifugalkraft Fce. Dementsprechend kann, wenn die auf den Gewichtskörper 40 ausgeübte Kraft Fx an dem Punkt Px detektiert wird, die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse unter Verwendung der folgenden Formel erlangt werden: Fx – Fce = Fco = 2m·Vy·ωz,wobei die Masse des Gewichtskörpers 40 m ist.
  • Darüber hinaus wird eine auf den Gewichtskörper 40 ausgeübte Kraft Fy in die Y-Achsen-Richtung erlangt, wenn der Gewichtskörper 40 die X-Achse am Punkt Py durchläuft. Die Kraft Fy ist gleich einer synthetischen Kraft aus einer Coriolis-Kraft Fco, die auf der Basis einer auf die Gesamtheit des Detektierungssystems ausgeübten Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse erzeugt wird, und einer auf den Gewichtskörper 40 ausgeübten Zentrifugalkraft Fce. Dementsprechend kann, wenn die auf den Gewichtskörper 40 ausgeübte Kraft Fy an dem Punkt Py detektiert wird, die Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse unter Verwendung der folgenden Formal erlangt werden: Fy – Fce = Fco = 2m·Vx·ωz,wobei die Masse des Gewichtskörpers 40 m ist.
  • Gemäß dem in Kapitel §2 beschriebenen zweiten Detektierungsprinzip ist es schließlich möglich, eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse zu detektieren, wenn der Gewichtskörper 40 die X-Achse oder die Y-Achse durchläuft. Tatsächlich ist es gemäß dem zweiten Detektierungsprinzip möglich, eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse zu jedem beliebigen Zeitpunkt zu detektieren, solange der Gewichtskörper 40 sich auf der Umlaufbahn 41 befindet.
  • Wenn der Gewichtskörper 40 wie oben angegeben zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XY-Ebene des dreidimensionalen XYZ-Koordinatensystems veranlasst wird und die Detektierung einer Coriolis-Kraft ausgeführt wird, wenn der Gewichtskörper 40 die X-Achse und die Y-Achse durchläuft, wird es möglich, auf der Basis des ersten Detektierungsprinzips oder des zweiten Detektierungsprinzips die drei Komponenten der Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse, Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse und Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse zu detektieren.
  • In einem praktischeren Sinn ist es bei der Anwendung eines Lösungsansatzes, um eine Kraftkomponente Z in die Z-Achsen-Richtung jedesmal zu detektieren, wenn der Gewichtskörper 40 den Punkt Px bzw. den Punkt Py durchläuft, wie in 13 gezeigt, möglich Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx bzw. ωy zu erlangen. Wenn ferner, wie in 14 gezeigt, eine Kraftkomponente Fx in die X-Achsen-Richtung jedesmal detektiert wird, wenn der Gewichtskörper 40 den Punkt Px durchläuft, und eine Korrektur durch die Zentrifugalkraft Fce ausgeführt wird, ist es möglich eine Winkelgeschwindigkeit ωz zu erlangen. Deshalb ist es, wenn der Gewichtskörper 40 den Punkt Px durchläuft, notwendig sowohl die Kraft Fz (wie in 13 gezeigt) als auch die Kraft Fx (wie in 14 gezeigt) gleichzeitig zu detektieren. Diese Doppeldetektierung der Kräfte Fx und Fz kann durch das Bereitstellen eines Paares von Individualkraftsensoren realisiert werden.
  • Schließlich ist es für eine Zeitspanne, während derer der Gewichtskörper 40 um die kreisförmige Umlaufbahn 41 herumläuft, möglich Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx bzw. ωy bzw. ωz bezüglich der drei Achsen zu erlangen. Da die Geschwindigkeit der kreisförmigen Bewegung des Gewichtskörpers 40 auf einem relativ höheren Wert gehalten werden kann, wird das Ansprechen als der Drei-Achsen-Geschwindigkeitssensor extrem hoch. Es ist selbstverständlich so, dass das Ansprechen weiter verbessert wird, wenn eine ähnliche Detektierung auch ausgeführt wird, wenn der Gewichtskörper 40 den negativen Bereich der X-Achse oder der Y-Achse (nicht gezeigt) durchläuft.
  • §4 Antriebseinrichtung und Detektierungseinrichtung
  • In dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Erfindung werden eine Antriebseinrichtung, um den Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung ausführen zu lassen, und eine Detektierungseinrichtung, um eine auf den Gewichtskörper ausgeübte Coriolis-Kraft zu detektieren, wesentliche Komponenten. Im Hinblick darauf werden die Konfiguration und die Anordnung der Antriebseinrichtung und der Detektierungseinrichtung kurz beschrieben, die in dem Fall geeignet sind, in dem der Gewichtskörper zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XY-Ebene veranlasst wird.
  • Zuerst wird ein Beispiel der Konfiguration und der Anordnung der Antriebseinrichtung in 15 gezeigt. In diesem Beispiel ist ein Gewichtskörper 40 an der Ursprungsposition 0 der XY-Ebene angezeigt. Um den Gewichtskörper 40 herum sind vier Kraftgeneratoren G1 bis G4 angeordnet. Der erste im positiven Bereich der X-Achse angeordnete Kraftgenerator G1 hat eine Funktion, in die positive Richtung der X-Achse Kraft auf den Gewichtskörper 40 auszuüben, der zweite im positiven Bereich der Y-Achse angeordnete Kraftgenerator G2 hat eine Funktion, in die positive Richtung der Y-Achse Kraft auf den Gewichtskörper 40 auszuüben, der dritte im negativen Bereich der X-Achse angeordnete Kraftgenerator G3 hat eine Funktion, in die negative Richtung der X-Achse Kraft auf den Gewichtskörper 40 auszuüben und der vierte im negativen Bereich der Y-Achse angeordnete Kraftgenerator G4 hat eine Funktion, in die negative Richtung der Y-Achse Kraft auf den Gewichtskörper 40 auszuüben. In einem neutralen Zustand, in dem diese vier Kraftgeneratoren G1 bis G4 nicht in Betrieb sind, wird der Gewichtskörper 40 bezüglich dem Sensorgehäuse getragen, so dass er sich in einem ortsfesten Zustand an der Position des Ursprungs 0 der Figur befindet. Man beachte, dass der Gewichtskörper 40 mit einem vorherbestimmten Freiheitsgrad beweglich getragen wird und durch Betreiben der vier Kraftgeneratoren G1 bis G4 zu einer Auslenkung veranlasst werden kann, wie durch die in 16 gezeigten Positionen A bis E angezeigt wird. In einem praktischeren Sinn ist es ausreichend den Gewichtskörper 40 mittels eines elastischen (nachgiebigen) Gliedes, z.B. einer Feder, usw. an dem Sensorgehäuse zu befestigen.
  • Die Kraftgeneratoren G1 bis G4 können von z.B. einem Elektromagneten gebildet sein. In diesem Fall ist es notwendig, den Gewichtskörper 40 mit einem magnetischen Körper wie z.B. Eisen, usw. zu bilden, damit er magnetische Anziehungskraft empfangen kann. Um den Gewichtskörper 40 durch vier Elektromagneten eine kreisförmigen Bewegung ausführen zu lassen, reicht es aus vier Sinus-Halbwellen-Gleichrichtungs-Signale S1 bis S4 bereitzustellen, deren Phasen um π/2 nacheinander verschoben werden, wie in 17 gezeigt. Wenn diese Signale jeweils an die Kraftgeneratoren G1 bis G4 geliefert werden, arbeiten die Kraftgeneratoren G1 bis G4 periodisch. Die unter dem Graph gemäß 17 angezeigten Buchstaben A bis E entsprechen den in 16 gezeigten Positionen A bis E und zeigen Positionen des Gewichtskörpers 40 zu entsprechenden Zeitpunkten an. Für die auf der Zeitbasis angezeigte Zeitspanne von 0 bis π bewegt sich der Gewichtskörper 40 auf einer kreisförmigen Umlaufbahn bis zu den Positionen A bis E. Man beachte, dass es unter dem Gesichtspunkt eines praktischen Konzepts für ein kommerzielles Produkt vorzuziehen ist, einen Radius der kreisförmigen Bewegung des Gewichtskörpers 40 kleiner sein zu lassen als den Radius des Gewichtskörpers 40 selber. Aus 16 wird bei der Betrachtung einer Ortskurve des Schwerpunkts des Gewichtskörpers 40 verständlich, dass der Gewichtskörper 40 eine kreisförmige Bewegung ausführt, obwohl der Radius der kreisförmigen Bewegung kleiner ist als der des Gewichtskörpers 40 selber.
  • Im Gegensatz zum dem Beispiel, in dem die Ausübung von Anziehungskraft auf den Gewichtskörper beschrieben wurde, um ihn eine kreisförmige Bewegung ausführen zu lassen, kann in einer der oben genannten Weise entgegengesetzten Weise eine Abstoßungskraft ausgeübt werden, um den Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung ausführen zu lassen. Bei der Verwendung von Kraftgeneratoren mit einer Funktion, sowohl Anziehungskraft als auch Ab stoßungskraft auszuüben, lässt man den Gewichtskörper außerdem nur durch zwei Sätze von Kraftgeneratoren eine kreisförmige Bewegung ausführen (z.B. in 16 der auf der X-Achse angeordnete Kraftgenerator G1 und der auf der Y-Achse angeordnete Kraftgenerator G2). Es ist selbstverständlich, dass der Gewichtskörper bei der Bereitstellung von vier Sätzen von Kraftgeneratoren mit einer Funktion, sowohl Anziehungskraft als auch Abstoßungskraft auszuüben, um sie anzuordnen, wie in 16 gezeigt, eine effektivere kreisförmige Bewegung ausführen kann.
  • Anschließend wird in 18 das Beispiel gezeigt, in dem zusätzlich zu den oben beschriebenen Kraftgeneratoren G1 bis G4 (Antriebseinrichtung) ferner sechs Auslenkungsdetektoren als Detektierungseinrichtung angeordnet sind. Während die Detektierungseinrichtung in dieser Erfindung eine Komponente zur Detektierung einer in eine vorherbestimmte Richtung auf den Gewichtskörper 40 ausgeübten Coriolis-Kraft ist, wie vorhergehend beschrieben, wird hier eine derartige Konfiguration angewendet, um eine Auslenkung des Gewichtskörpers 40 zu detektieren, um dabei indirekt eine auf den Gewichtskörper 40 ausgeübte Kraft zu detektieren. Um eine von Haus aus vorhandene Coriolis-Kraft zu erlangen, könnte, wie es die Umstände verlangen, eine Korrektur gemacht werden, um eine Zentrifugalkraft oder eine auf Beschleunigung oder Magnetismus basierende Kraft zu eliminieren. In 18 detektiert der Auslenkungsdetektor D1 Auslenkung des Gewichtskörpers 40 in die positive Richtung der X-Achse, detektiert der Auslenkungsdetektor D2 Auslenkung des Gewichtskörpers 40 in die positive Richtung der Y-Achse, detektiert der Auslenkungsdetektor D3 Auslenkung des Gewichtskörpers 40 in die negative Richtung der X-Achse, detektiert der Auslenkungsdetektor D4 Auslenkung des Gewichtskörpers 40 in die negative Richtung der Y-Achse, detektiert der Auslenkungsdetektor D5 Auslenkung des Gewichtskörpers 40 in die positive Richtung der Z-Achse und detektiert der Auslenkungsdetektor D6 Auslenkung des Gewichtskörpers 40 in negative Richtung der Z-Achse.
  • In dem Fall, in dem der Gewichtskörper 40 durch eine Feder bezüglich eines Sensorgehäuses getragen wird, wird durch eine Federkonstante eine lineare Beziehung zwischen einer auf den Gewichtskörper 40 ausgeübten Kraft und einer erzeugten Auslenkung aufrechtgehalten. Deshalb kann ein von den Auslenkungsdetektoren detektierter Auslenkungswert in die jeweiligen Richtungen als ein Wert einer in die jeweiligen Richtungen ausgeübten Kraftkomponente behandelt werden. Auch wenn eine solche lineare Beziehung zwischen Kraft und Auslenkung nicht aufrechterhalten werden kann, können sich darüber hinaus beide physikalischen Aktivitäten auf der Basis der tatsächlich gemessenen Beziehung entsprechen, da die Beziehung dazwischen bezüglich eines für tatsächliche Versuche hergestellten Winkelgeschwindigkeitssensors gemessen werden kann. Auf jeden Fall kann von dem Auslenkungsdetektor detektierte Auslenkung als ausgeübte Kraft behandelt werden. Dementsprechend wird Kraft +Fx in die positive Richtung der X-Achse von dem Auslenkungsdetektor D1 detektiert, Kraft +Fy in die positive Richtung der Y-Achse von dem Auslenkungsdetektor D2 detektiert, Kraft –Fx in die negative Richtung der X-Achse von dem Auslenkungsdetektor D3 detektiert, Kraft –Fy in die negative Richtung der Y-Achse von dem Auslenkungsdetektor D4 detektiert, Kraft +Fz in die positive Richtung der Z-Achse von dem Auslenkungsdetektor D5 detektiert und Kraft –Fz in die negative Richtung der Z-Achse von dem Auslenkungsdetektor D6 detektiert.
  • Bei der Verwendung von Auslenkungsdetektoren, von denen jeder eine Funktion mit der Fähigkeit zur Detektierung von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung bezüglich einer vorherbestimmten Achse hat, können außerdem alle Kraftkomponenten ±Fx, ±Fy ±Fz von drei Sätzen von Auslenkungsdetektoren detektiert werden. Es ist selbstverständlich, dass bei der Bereitstellung von sechs solcher Auslenkungsdetektoren für die wie in 18 gezeigte Anordnung, so dass die Kraft ±Fx in die X-Achsen-Richtung durch beide Ausgaben der Detektoren D1, D3, die Kraft ±Fy in die Y-Achsen-Richtung durch beide durch beide Ausgaben der Detektoren D2, D4 und die Kraft ±Fz in die Z-Achsen-Richtung durch beide Ausgaben der Detektoren D5, D6 detektiert wird, Detektierungen mit höherer Genauigkeit gemacht werden können.
  • Um Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy und ωz um die jeweiligen Achsen durch den Winkelgeschwindigkeitssensor mit den Komponenten gemäß 18 zu detektieren, reicht die Ausführung des oben beschriebenen Detektierungsverfahrens aus. Anfangs wird der Gewichtskörper 40 durch die Lieferung der in 17 gezeigten Signale S1 bis S4 an die Kraftgeneratoren G1 bis G4 wie vorhergehend beschrieben zu einer kreisförmigen Bewegung veranlasst. Unter dieser kreisförmigen Bewegung des Gewichtskörpers 40 kann bei der Detektierung von Kraft +Fz oder –Fz in die Z-Achsen-Richtung durch den Auslenkungsdetektor D5 oder D6 zum Zeitpunkt von Phase 0 auf der Zeitbasis des Graphs gemäß 17 (da der Gewichtskörper 40 die Position A gemäß 16 erreicht, wird dieser Zeitpunkt der Moment, in dem der Gewichtskörper die X-Achse durchläuft), eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 13 gezeigten Punkt Px erlangt werden. Bei einer Detektierung von Kraft +Fx oder –Fx in die X-Achsen-Richtung durch den Auslenkungsdetektor D1 oder D3 zum gleichen Zeitpunkt kann außerdem eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 14 gezeigten Punkt Px erlangt werden. Wenn Kraft +Fz oder –Fz in die Z-Achsen-Richtung von dem Auslenkungsdetektor D5 oder D6 zum Zeitpunkt der Phase π/2 auf der Zeitbasis des Graphs gemäß 17 (da der Gewichtskörper 40 die Position C gemäß 16 erreicht, wird dieser Zeitpunkt der Moment, in dem der Gewichtskörper die Y-Achse durchläuft) detektiert wird, kann ferner eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy um die Y-Achse auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 13 gezeigten Punkt Py erlangt werden. Man beachte, dass bei der Detektierung einer Kraft +Fy oder –Fy in die Y-Achsen-Richtung von dem Auslenkungsdetektor D2 oder D4 zum gleichen Zeitpunkt ferner eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 14 gezeigten Punkts Py auf ähnliche Weise erlangt wird.
  • In dem Fall, in dem das Detektierungsprinzip an dem in 14 gezeigten Punkt Px oder Punkt Py (das zweite Detektierungsprinzip) angewendet wird, ist eine Korrektur zum Ausschluss einer Komponente einer Zentrifugalkraft Fce von der detektierten Kraft Fx oder Fy erforderlich. Wenn jedoch eine Konfiguration des Gewichtskörpers 40, eine Tragstruktur bezüglich des Sensorgehäuses, eine Konfiguration der Kraftdetektoren G1 bis G4 und eine Periode und eine daran gelieferte Größe der Signale S1 bis S4 erlangt werden, werden in einem praktischeren Sinn Masse m des Gewichtskörpers 40, Radius r der kreisförmigen Bewegung und eine Winkelgeschwindigkeit Ω der kreisförmigen Bewegung erlangt. Dementsprechend kann die Zentrifugalkraft Fce durch unten ausgedrückte Operation berechnet werden: Fce = m·r·Ω2
  • Man beachte, dass zur Zeit der Detektierung einer auf den Gewichtskörpers 40 ausgeübten Kraft in dem oben beschriebenen Detektierungsprinzip ein Zeichen (positive Richtung oder negative Richtung jeder Achse) berücksichtigt wird und dieses Zeichen zu notwendiger Information für die Bestimmung einer Drehrichtung einer zu erlangenden Winkelgeschwindigkeit ω wird. Außerdem ist in dem Beispiel der Konfiguration gemäß 18 die Gesamtzahl der sechs Auslenkungsdetektoren D1 bis D6 vorgesehen, um die Kraftdetektierung in die positive und die negative Richtung durch Individualauslenkungsdetektoren bezüglich der Kraft entlang der gleichen Achse auszuführen. Wie vorhergehend beschrieben, können jedoch die entlang einer bestimmten Achse ausgeführten Kraftdetektierungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung mittels eines einzigen Auslenkungsdetektors ausgeführt werden.
  • Anschließend werden in dem Kapitel §5 und in den darauf folgenden Kapiteln verschiedene Ausführungsformen offenbart, die eine praktischere Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Erfindung zeigen. Diese Ausführungsformen sind von einer Struktur, in der die Tragein richtung hauptsächlich aus einem flexiblen Substrat mit Flexibilität gebildet wird, wobei der Umfangsteil des flexiblen Substrats an einem Sensorgehäuse befestigt ist und ein Gewichtskörper an dem Mittelteil des flexiblen Substrats befestigt ist. Bei Anwendung einer solchen Struktur ist es möglich eine kreisförmige Bewegung eines Gewichtskörpers innerhalb einer Ebene, die parallel zu der Substratebenenoberfläche des flexiblen Substrats ist, oder eine kreisförmige Bewegung eines Gewichtskörpers innerhalb einer Ebene, die senkrecht zu der Substratebenenoberfläche ist, relativ leicht auszuführen. Zusätzlich wird es außerdem möglich Auslenkungen in die jeweiligen Richtungen des Gewichtskörpers relativ leicht zu detektieren. Wenn nämlich die Kraftgeneratoren an mehreren vorherbestimmten Teilen auf dem flexiblen Substrat angeordnet sind, um diese Kraftgeneratoren periodisch arbeiten zu lassen, kann das flexible Substrat ein von Moment zu Moment variierendes Biegen erzeugen, und der Gewichtskörper kann folglich eine kreisförmige Bewegung ausführen. Wenn die Auslenkungsdetektoren an mehreren vorherbestimmten Teilen auf dem flexiblen Substrat angeordnet sind, können außerdem Auslenkungen der jeweiligen Teile an dem flexiblen Substrat durch entsprechende Auslenkungsdetektoren detektiert werden. Folglich wird eine Detektierung von Auslenkung des Gewichtskörpers möglich. Effektive Anordnungen der jeweiligen Kraftgeneratoren oder der jeweiligen Auslenkungsdetektoren werden in verschiedenen Ausführungsformen beschrieben.
  • In den unten beschriebenen Ausführungsformen werden als ein Kraftgenerator oder als ein Auslenkungsdetektor Kapazitätselemente oder piezoelektrische Elemente verwendet. Zum Beispiel können Kapazitätselemente als ein Kraftdetektor zur Erzeugung einer Coulombschen Kraft durch Ausübung einer vorherbestimmten Spannung über beide Elektroden verwendet werden. Wenn ein Abstand zwischen den Elektroden durch Verschiebung einer Elektrode variiert wird, wird zusätzlich die elektrostatische Kapazität des Kapazitätselements variiert. Dementsprechend kann ein solches Kapazitätselement als ein Auslenkungsdetektor verwendet werden. Auf ähnliche Weise können pie zoelektrische Elemente als ein Kraftdetektor zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in eine vorherbestimmte Richtung durch Anlegung einer vorherbestimmten Spannung verwendet werden. Wenn zusätzlich durch Auslenkung eine mechanische Spannung auf das piezoelektrische Element ausgeübt wird, werden Ladungen in dem piezoelektrischen Element erzeugt. Durch elektrische Detektierung solcher Ladungen kann das piezoelektrische Element als ein Auslenkungsdetektor verwendet werden.
  • §5 Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der ein Kapazitätselement verwendet
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 100, dessen Querschnitt in 19 gezeigt wird, ist die Ausführungsform, in der Kraftgeneratoren und Auslenkungsdetektoren durch Kapazitätselemente gebildet werden. Ein flexibles Substrat 110 ist das wichtigste Element, das als die Mitte des Winkelgeschwindigkeitssensors 100 fungiert. Die Draufsicht auf das flexible Substrats 110 von oben ist in 20 gezeigt. Der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 20 gezeigten flexiblen Substrats 110 ist in 19 gezeigt. Wie durch die gestrichelten Linien in 20 angezeigt, ist an der unteren Oberfläche des flexiblen Substrats 110 eine ringförmige Ausnehmung gebildet. Der Teil, wo die Ausnehmung gebildet ist, hat auf Grund seiner dünnen Dicke Flexibilität (dieser Teil ist als ein flexibler Teil 112 angezeigt). In diesem Beispiel wird der von dem ringförmigen flexiblen Teil 112 umgebene Innenteil ein Arbeitsteil 111 genannt und der Teil außerhalb des flexiblen Teils 112 ein fixierter Teil 113 genannt. Ein Gewichtskörper 120 in einer Blockform wird an der unteren Oberfläche des Arbeitsteils 111 befestigt und der fixierte Teil 113 wird von einem Sockel 130 gehalten (Positionen des Gewichtskörpers 120 und des Sockels 130 werden durch gestrichelte Linien in 20 angezeigt).
  • Darüber hinaus ist der Sockel 130 an einem Basissubstrat 140 befestigt. Schließlich befindet sich der Gewichtskörper 120 in einem hängenden Zustand, innerhalb eines von dem Sockel 130 umgebenen Raums. Da der flexible Teil 112 eine dünne Dicke und Flexibilität hat, kann der Gewichtskörper 120 in diesem Fall mit einem gewissen Freiheitsgrad zu einer Auslenkung innerhalb dieses Raums veranlasst werden. Der Gewichtskörper 120 wird nämlich innerhalb eines aus dem fixierten Teil 113, dem Sockel 130 und dem Basissubstrat 140 gebildeten Sensorgehäuses von dem flexiblen Teil 112 und dem Arbeitsteil 111 getragen, die als die Halteeinrichtung fungieren. Deshalb kann der Gewichtskörper 120 mit einem vorherbestimmten Freiheitsgrad in dem Sensorgehäuse bewegt werden. Zusätzlich wird an dem oberen Teil des flexiblen Substrates 110 ein Abdecksubstrat 150 auf eine Weise befestigt, dass es es abdeckt, während es einen vorherbestimmten Raum erhält.
  • Wie in 20 gezeigt, sind vier Elektrodenschichten G11 bis G14, die als ein Kraftgenerator fungieren, und fünf Elektrodenschichten D11 bis D15, die als ein Auslenkungsdetektor fungieren, an der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 110 gebildet. Während die Schraffuren die Teile dieser Elektrodenschichten in 20 umsetzen, zeigen diese Schraffuren Muster zum Erkennen von Bereichen der jeweiligen Elektrodenschichten an und zeigen nicht den Querschnitt an. Zusätzlich setzen verschieden schraffierte Muster die als der Kraftgenerator fungierenden Elektrodenschichten und die als der Auslenkungsdetektor fungierenden Elektrodenschichten um. Das gilt auf ähnliche Weise auch für andere Figuren, die ebene Oberflächenmuster der Elektroden anzeigen.
  • Auf der anderen Seite ist eine einzige breite scheibenförmige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E10 an der unteren Oberfläche des Abdecksubstrats 150 auf eine Weise gebildet, dass sie allen anderen jeweiligen Elektrodenschichten G11 bis G14 und D11 bis D15 gegenüberliegt. Folglich werden von diesen Elektrodenschichten, die sich in obere und untere Richtung gegenüberliegen, insgesamt neun Sätze von Kapazitätselementen gebildet.
  • Ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem mit einem Ursprungspunkt 0 in einer Schwerpunktposition des Gewichtskörpers 120 wird wie in 19 gezeigt definiert, um die folgende Erklärung auszuführen. Wie in 20 gezeigt, sind die Elektrodenschichten G11 bis G14 und die Elektrodenschichten D11 bis D15 alle auf der X-Achse oder der Y-Achse des Koordinatensystems positioniert und haben eine linear symmetrische Form bezüglich der X-Achse oder der Y-Achse.
  • Man beachte, dass während in dieser Ausführungsform neun Individualelektrodenschichten G11 bis G14, D11 bis D15 auf dem flexiblen Substrat 110 gebildet sind und die einzelne eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E10 auf dem Abdecksubstrat 150 gebildet ist, eine derartige Konfiguration angewendet werden kann, dass die einzelne eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E10 auf dem flexiblen Substrat 110 gebildet ist und die neun Individualelektrodenschichten G11 bis G14, D11 bis D15 auf dem Abdecksubstrat 150 gebildet sind. Alternativ können neun Individualelektrodenschichten jeweils auf dem flexiblen Substrat 110 und auf dem Abdecksubstrat 150 gebildet sein, anstatt die eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht zu verwenden. In diesem Fall werden neun Kapazitätselemente durch physikalisch unabhängige neun Elektrodenschichten auf dem flexiblen Substrat 119 und physikalisch unabhängige neun Elektrodenschichten auf dem Abdecksubstrat 150 gebildet.
  • Man bedenke zuerst ein Phänomen, das in dem Fall auftritt, wenn über die Elektrodenschicht G11 und die eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E10 irgendeine Spannung angelegt wird. Zwischen den Elektrodenschichten G11 und E10 wird eine auf der Coulombschen Kraft basierende Anziehungskraft ausgeübt. Da die Elektrodenschicht G11 auf dem flexiblen Teil 112 positioniert ist, der eine dünne Dicke hat, wird das flexible Substrat 110 zu dieser Zeit dazu veranlasst, sich auf der Basis der Anziehungskraft zu biegen, so dass der Abstand zwischen den Elektrodenschichten G11 und E10 etwas kleiner wird. Ein solches Biegen erzeugt Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse bezüglich des Gewichtskörpers 120. Kurz gesagt, wenn eine vorherbestimmte Spannung an die Elektrodenschicht G11 angelegt wird, wobei das Potential der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10 ein Referenzpotential ist, wird der Gewichtskörper 120 zur Auslenkung in die X-Achsen-Richtung veranlasst.
  • Dementsprechend fungiert das aus der Elektrodenschicht G11 und der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10 gebildete Kapazitätselement als der Kraftgenerator G1 in dem Beispiel der in 18 gezeigten Konfiguration. Auf ähnliche Weise fungieren das aus der Elektrodenschicht G12 und der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10 gebildete Kapazitätselement, das aus der Elektrodenschicht G13 und der eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E10 gebildete Kapazitätselement, und das aus der Elektrodenschicht G14 und der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10 gebildete Kapazitätselement als die Kraftgeneratoren G2 bzw. G3 bzw. G4 in dem Beispiel der in 18 gezeigten Konfiguration. Im Hinblick darauf führt der Gewichtskörper 120 bei einer Zuführung von Spannungen, die den in 17 gezeigten Signalen S1 bis S4 entsprechen, an die Elektrodenschichten G11 bis G14 eine kreisförmige Bewegung im Wesentlichen auf der XY-Ebene aus, wobei das Potential der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10 ein Referenzpotential ist.
  • Während in dem oben beschriebenen Verfahren Coulombsche Anziehungskraft zwischen den jeweiligen Elektrodenschichten G11 bis G14 und der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10 ausgeübt wird, so dass der Gewichtskörper 120 zu einer kreisförmigen Bewegung veranlasst wird, kann eine Coulombsche Abstoßungskraft in einer der obengenannten Weise entgegengesetzten Weise ausgeübt werden, so dass der Gewichtskörper 120 zu einer kreisförmigen Bewegung veranlasst wird. Wenn sowohl die Coulombsche Anziehungskraft als auch die Coulombsche Abstoßungskraft verwendet werden, können außerdem effektivere Kreisbewegungen gemacht werden. Um zum Beispiel den Gewichtskörper 120 zu einer Bewegung in die positive Richtung der X-Achse zu bringen, reicht es aus, dass die Elektrodenschichten G11 und E10 Coulombscher Anziehungskraft dazwischen ausgesetzt werden und die Elektrodenschichten G13 und E10 Coulombscher Abstoßungskraft dazwischen ausgesetzt werden.
  • Schließlich wird in dieser Ausführungsform die Konfiguration angewendet, in der Kraftgeneratoren (bzw. Kapazitätselemente), die Kraft in die Richtung entlang der Z-Achse ausüben, jeweils in den positiven und negativen Bereichen der X-Achse und in den positiven und negativen Bereichen der Y-Achse angeordnet sind. Wenn diese Kraftgeneratoren periodisch betrieben werden, führt der Gewichtskörper 120 eine Umlaufbewegung innerhalb der XY-Ebene aus.
  • Gemäß dem vorhergehend beschriebenen Detektierungsprinzip ist es, wenn die in die jeweiligen Achsenrichtungen auf den Gewichtskörper 120 ausgeübten Kraftkomponenten ±Fx, ±Fy, ±Fz in dem Zustand detektiert werden können, in dem der Gewichtskörper 120 eine kreisförmige Bewegung in einer wie oben dargelegten Weise ausführt, möglich Winkelgeschwindigkeitskomponenten ±ωx, ±ωy, ±ωz um die jeweiligen Achsen (Zeichen kennzeichnen die Drehrichtung) zu erlangen. Wie vorhergehend oben beschrieben, können die in die jeweiligen Achsenrichtungen auf den Gewichtskörper 120 ausgeübten Kraftkomponenten ±Fx, ±Fy, ±Fz durch die in 18 gezeigten Auslenkungsdetektoren D1 bis D6 als Auslenkungen in die jeweiligen Achsenrichtungen detektiert werden.
  • Die fünf Sätze von den aus den Elektrodenschichten D11 bis D15 und der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10 gebildeten Kapazitätselementen fungieren als die Auslenkungsdetektoren D1 bis D6. In dem Fall zum Beispiel, in dem der Gewichtskörper 120 in die positive Richtung der X-Achse bewegt wird, wird der flexible Teil 112 gebogen, wobei sich der Abstand zwischen den Elektrodenschichten D11 und E10 kontrahiert. Folglich findet eine Änderung in einem elektrostatischen Kapazitätswert eines von zwei Elektrodenschichten gebildeten Kapazitätselements statt. Dementsprechend ist es durch Messung eines elektrostatischen Kapazitätswertes zwischen den Elektrodenschichten D11 und E10 möglich eine Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse des Gewichtskörpers 120 zu erlangen. In einem praktischeren Sinn ist es, wenn unter Verwendung des für Versuche hergestellten Sensors in der Praxis tatsächlich gemessen wird, wie der elektrostatische Kapazitätswert variiert, wenn der Gewichtskörper 120 zu verschiedenen Auslenkungen veranlasst wird, möglich die Beziehung zwischen dem elektrostatischen Kapazitätswert und des Auslenkungausmaßes auf der Basis des tatsächlich gemessenen Wertes zu erlangen.
  • Auf ähnlich Weise ist es durch Messung eines elektrostatischen Kapazitätswertes zwischen den Elektrodenschichten D12 und E10 möglich eine Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die positive Richtung der X-Achse zu erlangen. Durch Messung eines elektrostatischen Kapazitätswertes zwischen den Elektrodenschichten D13 und E10 ist es möglich eine Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die negative Richtung der X-Achse zu erlangen. Durch Messung eines elektrostatischen Kapazitätswertes zwischen den Elektrodenschichten D14 und E10 ist es möglich eine Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die negative Richtung der Y-Achse zu erlangen. Zusätzlich ist es durch Messung eines elektrostatischen Kapazitätswertes zwischen den Elektrodenschichten D15 und E10 möglich eine Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die Richtung der Z-Achse zu erlangen.
  • In dieser Ausführungsform werden Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse durch einen elektrostatischen Kapazitätswert zwischen den Elektrodenschichten D15 und E10 detektiert. Wenn ein Kapazitätswert nämlich bezüglich eines vorherbestimmten Bezugskapazitätswertes groß wird, wird angezeigt, dass sich der Abstand zwischen den Elektroden kontrahiert. Dementsprechend wird beurteilt, dass eine Auslenkung in die positive Richtung der Z-Achse stattgefunden hat. Wenn dahingegen ein Kapazitätswert bezüglich eines vorherbestimmten Bezugskapazitätswertes klein wird, wird angezeigt, dass der Abstand zwischen den Elektroden größer wird. Dementsprechend wird beurteilt, dass eine Auslenkung in die negative Richtung der Z-Achse stattgefunden hat.
  • Es ist vorzuziehen Auslenkungen in die X-Achsen- und Y-Achsen-Richtung als einen Unterschied zwischen Kapazitätswerten eines Paares von Kapazitätselementen zu detektieren, da diese Methode effizient ist. Es ist zum Beispiel wünschenswert Auslenkung in die X-Achsen-Richtung als einen Unterschied zwischen einem Kapazitätswert der Elektrodenschichten D11 und E10 und einem Kapazitätswert der Elektrodenschichten D13 und E10 zu detektieren. In dem Fall, in dem der Gewichtskörper zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst wird, wird der Kapazitätswert der ersteren größer, wohingegen der Kapazitätswert der letzteren kleiner wird. Aus diesem Grund kann eine Detektierung mit einer höheren Genauigkeit gemacht werden, wenn ein Unterschied dazwischen erlangt wird. In dem Fall dagegen, in dem der Gewichtskörper zu einer Auslenkung in die negative Richtung der X-Achse veranlasst wird, wird der Kapazitätswert der ersteren kleiner, wohingegen der Kapazitätswert der letzteren größer wird. Das Zeichen des Unterschieds dazwischen ist nämlich umgekehrt. Auf ähnliche Weise kann, wenn eine Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung als ein Unterschied zwischen einem Kapazitätswert der Elektrodenschichten D12 und E10 und einem Kapazitätswert der Elektrodenschichten D14 und E10 detektiert wird, auf eine wie oben dargelegte Weise eine Detektierung mit höherer Genauigkeit gemacht werden.
  • Wie oben dargelegt, detektieren die jeweiligen aus Kapazitätselementen gebildeten Auslenkungsdetektoren von einem direkten Standpunkt Auslenkung eines vorherbestimmten Teils des flexiblen Substrats 110 in die Z-Achsen-Richtung (nämlich Verschiebung der unteren Elektrode eines ein Kapazitätselement bildenden Elektrodenpaars). Von einem indirekten Standpunkt haben diese Auslenkungsdetektoren jedoch eine Funktion Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die X-, Y- und Z-Achsen-Richtung zu detektieren, da die jeweiligen Auslenkungsdetektoren an bestimmten Positionen angeordnet sind. Man beachte, dass es, da die jeweiligen die Auslenkungsdetektoren bildenden Elektrodenschichten D11 bis D14 alle bezüglich der X-Achse oder der Y-Achse linear symmetrisch sind, wie in 20 gezeigt, bei der Ausführung von Auslen kungsdetektierungen in die jeweiligen Achsenrichtungen keinen Einfluss von anderen Achsenkomponenten gibt. Da zum Beispiel die zur Detektierung einer Auslenkung in die X-Achsen-Richtung verwendete Elektrodenschicht D11 bezüglich der X-Achse linear symmetrisch ist, nähert sich in dem Fall, in dem Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung stattfindet, der Bereich einer Hälfte von der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10, aber entfernt sich der Bereich der anderen Hälfte von der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10. Aus diesem Grund heben sich die Auslenkungen in ihrer Gesamtheit auf.
  • Schließlich wird in dieser Ausführungsform die Konfiguration angewendet, in der Auslenkungsdetektoren (entsprechende Kapazitätselemente) zur Detektierung von Auslenkung in die Richtung entlang der Z-Achse jeweils im positiven und negativen Bereich der X-Achse und im positiven und negativen Bereich der Y-Achse angeordnet sind. Deshalb ist es möglich unter Verwendung der im positiven und negativen Bereich der X-Achse angeordneten Auslenkungsdetektoren eine in die X-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper ausgeübte Coriolis-Kraft zu detektieren und unter Verwendung der im positiven und negativen Bereich der Y-Achse angeordneten Auslenkungsdetektoren eine in die Y-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper ausgeübte Coriolis-Kraft zu detektieren.
  • Um Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy und ωz um die jeweiligen Achsen durch den oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor 100 zu detektieren, reicht es aus die wie unten beschriebenen Detektierungsvorgänge auszuführen. Anfangs werden Spannungen, die den in 17 gezeigten Signalen S1 bis S4 entsprechen, an die Elektrodenschichten G11 bis G14 angelegt, wobei das Potential der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E10 ein Bezugspotential ist, wodurch man den Gewichtskörper 120 eine kreisförmige Bewegung auf der XY-Ebene ausführen lässt. Wenn dann Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die Z-Achsen-Richtung auf der Basis eines elektrostatischen Kapazitätswerts z.B. zwischen den Elektrodenschichten D15 und E10 zum Zeitpunkt der Phase 0 auf der Zeitbasis in dem Graph gemäß 17 (dieser Zeitpunkt wird der Moment, in dem der Gewichtskörper 120 die X-Achse durchläuft, während er sich entlang der kreisförmigen Umlaufbahn bewegt) detektiert wird, entspricht diese Auslenkung einer bezüglich des Gewichtskörpers 120 in die Z-Achsen-Richtung ausgeübten Kraftkomponente Fz. Folglich ist es möglich eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 13 gezeigten Punkt Px zu erlangen.
  • Wenn darüber hinaus eine Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die X-Achsen-Richtung auf der Basis eines elektrostatischen Kapazitätswerts zwischen den Elektrodenschichten D11 und E10 oder eines elektrostatischen Kapazitätswerts zwischen den Elektrodenschichten D13 und E10 (oder eines Unterschiedes zwischen den beiden elektrostatischen Kapazitätswerten) zum gleichen Zeitpunkt wie oben detektiert wird, entspricht diese Auslenkung einer bezüglich des Gewichtskörpers 120 in die X-Achsen-Richtung ausgeübten Kraftkomponente Fx. Folglich ist es möglich eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 14 gezeigten Punkt Px zu erlangen.
  • Wenn ferner eine Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die Z-Achsen-Richtung auf der Basis eines elektrostatischen Kapazitätswerts zwischen den Elektrodenschichten D15 und E10 zu dem Zeitpunkt der Phase π/2 auf der Zeitbasis des Graphs gemäß 17 (dieser Zeitpunkt wird der Moment, in dem der Gewichtskörper 120 die Y-Achse durchläuft, während er sich entlang der kreisförmigen Umlaufbahn bewegt) detektiert wird, entspricht diese Auslenkung einer bezüglich des Gewichtskörpers 120 in die Z-Achsen-Richtung ausgeübten Kraftkomponente Fz. Folglich ist es möglich eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 13 gezeigten Punkt Py zu erlangen. Wenn alternativ eine Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die Y-Achsen-Richtung auf der Basis eines elektrostatischen Kapazitätswerts zwischen den Elektrodenschichten D12 und E10 oder eines elektrostatischen Kapazitätswerts zwischen den Elektrodenschichten D14 und E10 (oder eines Unterschiedes zwischen den beiden elektrostatischen Kapazitätswerten) detektiert wird, entspricht diese Auslenkung einer bezüglich des Gewichtskörpers 120 in die Y-Achsen-Richtung ausgeübten Kraftkomponente Fy. Folglich ist es möglich eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 14 gezeigten Punkt Py zu erlangen.
  • §6 Eine andere Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der ein Kapazitätselement verwendet
  • Anschließend wird nun mit Bezug auf die Seitenquerschnittsansicht gemäß 21 und die Draufsicht von oben gemäß 22 eine Struktur und ein Detektierungsvorgang eines Winkelgeschwindigkeitssensors 180 beschrieben, der eine modifizierte Ausführungsform des oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors 100 ist. 22 ist eine Ansicht, in der das flexible Substrat 110 des in 21 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors 180 von oben betrachtet wird, wobei der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 22 veranschaulichten flexiblen Substrats 110 in 21 gezeigt wird. Ein Unterschied in der Struktur zwischen dem in 19 und 20 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 100 und dem in 21 und 22 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht nur in der Anordnung der jeweiligen Elektrodenschichten auf dem flexiblen Substrat 110. In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 180 sind nämlich die in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 100 vorgesehen Elektrodenschichten G12 und G14 weggelassen, wie in 22 gezeigt. Darüber hinaus ist die Elektrodenschicht D15, die in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 100 als ein Auslenkungsdetektor fungiert hat, durch die Elektrode G15 ersetzt, die als ein Kraftgenerator in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 180 fungiert.
  • Der große Unterschied in der Arbeitsweise zwischen dem Winkelgeschwindigkeitssensor 100 und dem Winkelgeschwindigkeitssensor 180 besteht darin, dass der erstere den Gewichtskörper 120 zu einer kreisförmigen Bewe gung innerhalb der XY-Ebene veranlasst, wohingegen der letztere den Gewichtskörper 120 zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XZ-Ebene veranlasst. Wie vorhergehend beschrieben, werden bei der Anlegung einer vorherbestimmten Spannung über die Elektrodenschichten G11 und E10 beide Elektroden einer Coloumbschen Kraft dazwischen ausgesetzt. Folglich tritt in dem flexiblen Substrat 110 ein Biegen auf. Demzufolge wird der Gewichtskörper 120 zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst. Auf ähnliche Weise werden bei der Anlegung einer vorherbestimmten Spannung über die Elektrodenschichten G15 und E10 OF beide Elektroden einer Coloumbschen Kraft dazwischen ausgesetzt. Demzufolge wird der Gewichtskörper 120 zu einer Auslenkung in die positive Richtung der Z-Achse veranlasst. Ferner werden bei der Anlegung einer vorherbestimmten Spannung über die Elektrodenschichten G13 und E10 auf beide Elektroden einer Coloumbschen Kraft dazwischen ausgesetzt. Folglich tritt in dem flexiblen Substrat 110 ein Biegen auf. Demzufolge wird der Gewichtskörper 120 zu einer Auslenkung in die negative Richtung der X-Achse veranlasst.
  • Dementsprechend bewegt sich bei der Anlegung leicht phasenverschobener Sinuswellenspannungen an die jeweiligen Elektrodenschichten der Gewichtskörper 120 in 21 fortschreitend auf eine einen kreisförmigen Bogen beschreibende Weise von der rechten Position zu der oberen Position und bewegt sich auf eine einen kreisförmigen Bogen beschreibende Weise zu der linken Position. Auf diese Weise bewegt sich der Gewichtskörper 120 auf der halbkreisförmigen Umlaufbahn. Außerdem gleicht, wie oben beschrieben, ein Vorgang zur Anlegung von Spannung über ein Elektrodenpaar einem Vorgang zur Lieferung von Ladungen mit voneinander unterschiedlichen Polaritäten an das Elektrodenpaar. Wenn dahingegen Ladungen mit der gleichen Polarität an das Elektrodenpaar geliefert werden, wird das Elektrodenpaar einer Coloumbschen Abstoßungskraft dazwischen ausgesetzt. Im Hinblick darauf bewegt sich der Gewichtskörper 120 bei der Lieferung von Ladungen mit der gleichen Polarität an die Elektrodenschicht G15 und die Elektrodenschicht E10, so dass sie einer Coloumbschen Abstoßungskraft dazwischen ausgesetzt sind, in Richtung der unteren Position in 21. Deshalb kann der Gewichtskörper 120 bei der Lieferung von geeigneten Spannungssignalen an die jeweiligen Elektrodenschichten G11, G13, G15 eine kreisförmige Bewegung entlang der kreisförmigen Umlaufbahn 121 ausführen, die durch einen Pfeil in 21 angezeigt wird. Zusätzlich kann, wie vorher beschrieben, bei der Verwendung sowohl der Coloumbschen Anziehungskraft als auch der Coloumbschen Abstoßungskraft in Kombination eine effektivere kreisförmige Bewegung ausgeführt werden.
  • Schließlich wird in dem oben erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensor 180 die Konfiguration angewendet, in der Kraftgeneratoren (entsprechende Kapazitätselemente) zur Ausübung von Kraft in die Richtung entlang der Z-Achse im positiven und negativen Bereich der X-Achse bzw. im Bereich in der Nachbarschaft des Ursprungs 0 angeordnet werden, um diese Kraftgeneratoren periodisch betreiben zu können, um dabei den Gewichtskörper 120 eine kreisförmige Bewegung in der XZ-Ebene ausführen zu lassen.
  • Da auf der anderen Seite die Anordnung der als ein Auslenkungsdetektor fungierenden Elektrodenschichten D11 bis D14 gänzlich die gleiche ist wie die Anordnung des vorhergehend beschrieben Winkelgeschwindigkeitssensors 100, ist es deshalb möglich Kraftkomponenten ±Fx in die X-Achsen-Richtung und Kraftkomponenten ±Fy in die Y-Achsen-Richtung zu detektieren. Durch die Detektierung von Kraftkomponenten ±Fx in die X-Achsen-Richtung und Kraftkomponenten ±Fy in die Y-Achsen-Richtung, die in einem Moment auf den Gewichtskörper 120 ausgeübt werden, in dem der Gewichtskörper 120 die X-Achse oder die Z-Achse durchläuft, während man den Gewichtskörper 120 eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XZ-Ebene ausführen lässt, ist es möglich alle Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy und ωz um die drei Achsen zu detektieren.
  • §7 Allgemeine Eigenschaft des piezoelektrischen Elements
  • Anschließend wird eine Ausführungsform beschrieben, in der ein piezoelektrisches Element als Antriebseinrichtung und Detektierungseinrichtung verwendet wird. Generell hat ein piezoelektrisches Element eine Eigenschaft, dass bei der Ausübung einer Kraft in eine vorherbestimmte Richtung Ladungen mit einer vorherbestimmten Polarität erzeugt werden, und es hat außerdem die Eigenschaft, dass bei der Lieferung von Ladungen mit einer vorherbestimmten Polarität auf eine der obenstehenden Weise entgegengesetzten Weise eine Kraft in eine vorherbestimmte Richtung erzeugt wird. Eine Richtung der Kraft bzw. der Polarität von Ladungen ändert sich in Abhängigkeit von einer Polarisierungseigenschaft, die individuelle piezoelektrische Elemente haben. Eine Erklärung wird nun in Verbindung mit einer Eigenschaft gegeben, die dem in 23A und 23B gezeigten piezoelektrischen Element 51 und dem in 24A und 24B gezeigten piezoelektrischen Element 52 inhärent ist. In allen diesen Figuren werden die Seitenquerschnittsansichten dargestellt, wobei eine obere Elektrodenschicht A an einer oberen Oberfläche des entsprechenden piezoelektrischen Elements gebildet ist und eine untere Elektrodenschicht B an einer unteren Oberfläche davon gebildet ist.
  • Das piezoelektrische Element 51 hat eine Eigenschaft, dass im Fall einer Ausübung einer Kraft von außen in eine Richtung, die eine seitliche Expansion bewirkt, wie durch die Pfeile in 23A angezeigt, positive Ladungen und negative Ladungen an der oberen Elektrodenschicht A bzw. an der unteren Elektrodenschicht B erzeugt werden, und dass im Fall einer Ausübung einer Kraft von außen in eine Richtung, die eine seitliche Kontraktion bewirkt, wie durch die Pfeile in 23B angezeigt, auf eine der obenstehenden entgegengesetzten Weise negative Ladungen und positive Ladungen an der oberen Elektrodenschicht A bzw. an der unteren Elektrodenschicht B erzeugt werden. Während die Eigenschaft, dass bei Ausübung einer Kraft in eine vorherbestimmte Richtung Ladungen mit vorherbestimmten Polaritäten erzeugt werden, oben erklärt wurde, hat ein piezoelektrisches Element außerdem die Eigenschaft, dass bei der Lieferung von Ladungen mit einer vorherbestimmten Polarität auf eine der obenstehenden Weise entgegengesetzten Weise eine Kraft in eine vorherbestimmte Richtung erzeugt wird. Wenn nämlich bezüglich des piezoelektrischen Elements 51 positive Ladungen und negative Ladungen an die obere Elektrodenschicht A bzw. an die untere Elektrodenschicht B geliefert werden, wird eine Kraft in eine Richtung, die eine seitliche Expansion bewirkt, erzeugt, wie durch die Pfeile in 23A angezeigt. Wenn dahingegen negative Ladungen und positive Ladungen an die obere Elektrodenschicht A bzw. an die untere Elektrodenschicht B geliefert werden, wird eine Kraft in eine Richtung, die eine seitliche Kontraktion bewirkt, erzeugt, wie durch die Pfeile in 23B angezeigt. Ein piezoelektrisches Element mit einer solchen Polarisationseigenschaft wird in dieser Beschreibung ein piezoelektrisches Element vom Typ I genannt.
  • Auf der anderen Seite hat das in 24A und 24B gezeigte piezoelektrische Element 52 eine Eigenschaft, die sich von der des oben beschriebenen piezoelektrischen Elements 51 leicht unterscheidet. Das piezoelektrische Element 52 hat nämlich eine Eigenschaft, dass im Fall einer Ausübung einer Kraft von außen in eine Richtung, die eine längsgerichtete Expansion bewirkt, wie durch die Pfeile in 24A angezeigt, positive Ladungen und negative Ladungen an der oberen Elektrodenschicht A bzw. an der unteren Elektrodenschicht B erzeugt werden, und dass im Fall einer Ausübung einer Kraft von außen in eine Richtung, die eine längsgerichtete Kontraktion bewirkt, wie durch die Pfeile in 24B angezeigt, auf eine der obenstehenden Weise entgegengesetzte Weise negative Ladungen und positive Ladungen an der oberen Elektrodenschicht A bzw. an der unteren Elektrodenschicht B erzeugt werden. Während die Eigenschaft, dass bei Ausübung einer Kraft in eine vorherbestimmte Richtung Ladungen mit einer vorherbestimmten Polarität erzeugt werden, oben erklärt wurde, hat ein piezoelektrisches Element außerdem eine Eigenschaft, dass bei der Lieferung von Ladungen mit einer vorherbestimmten Polarität auf eine der obenstehenden Weise entgegengesetzte Weise eine Kraft in eine vorherbestimmte Richtung erzeugt wird. Wenn nämlich bezüglich des piezoelektrischen Elements 52 positive Ladungen und negative Ladungen an die obere Elektrodenschicht A bzw. an die untere Elektrodenschicht B geliefert werden, wird eine Kraft in eine Richtung, die eine längsgerichtete Expansion bewirkt, erzeugt, wie durch die Pfeile in 24A angezeigt. Wenn dahingegen negative Ladungen und positive Ladungen an die obere Elektrodenschicht A bzw. an die untere Elektrodenschicht B geliefert werden, wird eine Kraft in eine Richtung, die eine längsgerichtete Kontraktion bewirkt, erzeugt, wie durch die Pfeile in 24B angezeigt. Ein piezoelektrisches Element mit einer solchen Polarisationseigenschaft wird in dieser Beschreibung ein piezoelektrisches Element vom Typ II genannt.
  • Als ein solches piezoelektrische Element ist z.B. piezoelektrische Keramik usw. weit verbreitet. In den neueren Techniken wird eine spezielle Polarisierungsverarbeitung umgesetzt, wobei eine freie Herstellung von piezoelektrischer Keramik mit einer erwünschten Polarisierungseigenschaft ermöglicht wird. Zusätzlich kann Polarisierungsverarbeitung für ein physikalisch einzelnes piezoelektrisches Keramikelement gemacht werden, so dass eine Polarisierungseigenschaft sich von Teil zu Teil unterscheidet und es möglich ist ein piezoelektrisches Element zu erlangen, das eine Mehrzahl von Polarisierungseigenschaften hat, die sich in den jeweiligen Teilen voneinander unterscheiden.
  • Wie obenstehend dargelegt, hat ein piezoelektrisches Element eine Funktion zur Ausführung einer Wandlung von „Kraft in Ladung" und eine Funktion zur Ausführung einer Wandlung von „Ladung in Kraft". In den untenstehend beschriebenen Ausführungsformen wird die erstere Funktion als Einrichtung zur Detektierung von Coriolis-Kraft verwendet (Auslenkungsdetektor) und die letztere Funktion als Antriebseinrichtung (Kraftgenerator) verwendet, um den Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung ausführen zu lassen.
  • §8 Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der ein piezoelektrisches Element vom Typ I verwendet
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 200, dessen Seitenquerschnitt in 25 gezeigt ist, ist ein Sensor einer Ausführungsform, in der Kraftgeneratoren und Auslenkungsdetektoren durch piezoelektrische Elemente gebildet werden, die die oben beschriebene Polarisierungseigenschaft vom Typ I haben. Eine Konfiguration des grundlegenden Teils des Winkelgeschwindigkeitssensors 200 ist im Wesentlichen die gleiche wie die des in 19 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors 100. Es ist nämlich eine Ausnehmung in einer Ringform an einer unteren Oberfläche eines flexiblen Substrats 210 gebildet. Da die Dicke des Teils, wo die Ausnehmung gebildet ist, dünn ist, bildet dieser dünne Teil einen flexiblen Teil 212 mit Flexibilität. Darüber hinaus bildet ein von dem flexiblen Teil 212 umgebener innerer Teil einen Arbeitsteil 211 und bildet ein äußerer Teil des flexiblen Teils 212 einen fixierten Teil 213.
  • An der unteren Oberfläche des Arbeitsteils 211 wird ein Gewichtskörper 220 in einer Blockform befestigt und der fixierte Teil 213 wird durch einen Sockel 230 gehalten. Ferner ist der Sockel 230 an einem Basissubstrat 240 befestigt. Man beachte, dass auf einer oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 210 gebildete Komponenten sich von denen des vorhergehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors 100 unterscheiden. Auf der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 210 ist nämlich eine eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E20 in einer Ringform befestigt. Daran ist ein piezoelektrisches Element 250 auf ähnliche Weise in einer Ringform befestigt. Auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 sind zwölf Elektrodenschichten G21 bis G24, D21 bis D28 angeordnet. In diesem Beispiel ist das piezoelektrische Element 250 aus piezoelektrischer Keramik gebildet, die die Polarisierungseigenschaft von dem in 23A und 23B gezeigten Typ I hat.
  • Die Draufsicht auf das flexible Substrat 210 von oben ist in 26 gezeigt. Der Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des in 26 gezeigten flexiblen Substrats 210 ist in 25 gezeigt. In 26 werden die Formen von zwölf auf dem piezoelektrischen Element 250 vorgesehenen Elektrodenschichten in Ringform klar veranschaulicht. In einem Mittelteil des piezoelektrischen Elements 250 existiert ein kreisförmiger Öffnungsteil und ein Mittelteil 211 des flexiblen Substrats 210 kann gesehen werden. Die eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E20 in Ringform ist an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 angeordnet, aber diese Elektrodenschicht ist in 26 nicht gezeigt. Man beachte, dass während die Schraffuren für Teile der entsprechenden Elektrodenschichten in 26 umgesetzt sind, dies zur leichteren Erkennung der entsprechenden Elektrodenschichten ausgeführt wird. Deshalb dienen die Schraffuren in 26 nicht zum Anzeigen eines Querschnitts.
  • Unter den zwölf in 26 gezeigten Elektrodenschichten sind die Elektrodenschichten G21 bis G24 als ein Kraftgenerator verwendete Elektroden und die Elektrodenschichten D21 bis D28 als ein Auslenkungsdetektor verwendete Elektroden. Obwohl das piezoelektrische Element 250 und die eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E20 jeweils einheitliche Elemente sind, wird es auf Grund der jeweiligen individuellen Unabhängigkeit der zwölf auf dem piezoelektrischen Element 250 gebildeten Elektrodenschichten so betrachtet, dass es zwölf Sätze von voneinander unabhängigen piezoelektrischen Elementen gibt, wenn ein Vorgang betrachtet wird. In diesem Beispiel ist ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem, das an der Schwerpunktposition des Gewichtskörpers 220 einen Ursprung 0 hat, wie in 25 gezeigt, definiert, um folglich die folgende Erklärung auszuführen. Wie in 26 gezeigt, sind die Elektrodenschichten G21 bis G24 und die Elektrodenschichten D21 bis D28 alle auf der X-Achse oder der Y-Achse in diesem Koordinatensystem positioniert und nehmen eine bezüglich dieser Achsen linear symmetrische Form an.
  • Zuerst soll demonstriert werden, dass der Gewichtskörper 220 bei der periodischen Lieferung von Ladungen an die Elektrodenschichten G21 bis G24 in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 200 zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XY-Ebene veranlasst werden kann. Wie vorhergehend beschrieben, ist das piezoelektrische Element 250 ein piezoelektrisches Element vom Typ I mit einer Polarisierungseigenschaft, wie in 23A und 23B gezeigt. Im Hinblick darauf wird bei der Zuführung von Spannungen, so dass der Elektrodenschicht G21 und der eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht E20 negative Ladungen bzw. positive Ladungen zugeführt werden, an einem Teil unter der Elektrodenschicht G21 des piezoelektrischen Elements 250 eine Kraft in eine Richtung, die eine seitliche Kontraktion bewirkt, erzeugt, wie in 23B gezeigt. Andererseits wird bei der Zuführung von Spannungen, so dass der Elektrodenschicht G23 und der eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E20 positive Ladungen bzw. negative Ladungen zugeführt werden, an einem Teil unter der Elektrodenschicht G23 des piezoelektrischen Elements 250 eine Kraft in eine Richtung, die eine seitliche Expansion bewirkt, erzeugt, wie in 23A gezeigt. Wie oben dargelegt, wird bei der Erzeugung der Kontraktionskraft und der Expansionskraft an dem unteren Teil der Elektrodenschicht G21 bzw. dem unteren Teil der Elektrodenschicht G23 in dem flexiblen Substrat 210 ein derartiges Biegen erzeugt, dass der Gewichtskörper 220 eine Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse ausführen kann. Zusätzlich kann bei der Umkehrung der Polarität der den jeweiligen Elektrodenschichten zugeführten Ladungen auf eine der obenstehenden Weise entgegengesetzte Weise ein derartiges Biegen erzeugt werden, dass der Gewichtskörper 220 eine Auslenkung in die negative Richtung der X-Achse ausführen kann.
  • Wie oben dargelegt, entspricht die Zuführung von vorherbestimmten Ladungen an die auf der X-Achse angeordneten Elektrodenschichten G21, G23 dem Betreiben der Kraftgeneratoren G1 oder G3 in dem in 18 gezeigten Modell. Auf ähnliche Weise entspricht die Zuführung von vorherbestimmten Ladungen an die auf der Y-Achse angeordneten Elektrodenschichten G22, G24 dem Betreiben der Kraftgeneratoren G2 oder G4 in dem in 18 gezeigten Modell. Dementsprechend kann der Gewichtskörper 220 dann, wenn den Elektrodenschichten G21 bis G24 periodische, phasenverschobene Betriebssignale gegeben (zugeführt) werden, eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XY-Ebene ausführen. Man beachte, dass unter einem praktischen Gesichtspunkt bei der Umkehrung der Polarisierungseigenschaften des piezoelektrischen Elements 250 (eine Polarität von in obere und untere Richtungen erzeugten Ladungen wird zur Umkehrung veranlasst) in bestimmten Teilen die Span nungszuführung für die Ausführung einer kreisförmigen Bewegung erleichtert wird.
  • Schließlich wird in dieser Ausführungsform die Konfiguration angewendet, in der Kraftgeneratoren (einige entsprechende Teile des piezoelektrischen Elements 250) zur Ausübung von Kraft in die Richtung entlang der X-Achse jeweils im positiven und negativen Bereich der X-Achse angeordnet werden und Kraftgeneratoren (die anderen entsprechenden Teile des piezoelektrischen Elements 250) zur Ausübung von Kraft in die Richtung entlang der Y-Achse jeweils im positiven und negativen Bereich der Y-Achse angeordnet sind. Wenn diese Kraftdetektoren periodisch betrieben werden, wird der Gewichtskörper 220 zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XY-Ebene veranlasst.
  • Gemäß des vorhergehend beschriebenen Detektierungsprinzips ist es, wenn die Kraftkomponenten ±Fx, ±Fy, ±Fz in dem Zustand, in dem der Gewichtskörper 220 auf eine wie oben dargelegte Weise zu einer kreisförmigen Bewegung veranlasst wird, in die jeweiligen Achsenrichtungen auf den Gewichtskörper 220 ausgeübt werden, möglich Winkelgeschwindigkeitskomponenten ±ωx, ±ωy, ±ωz (Zeichen zeigen die Drehichtung an) um die jeweiligen Achsen zu erlangen. Das heißt, die in die jeweiligen Achsenrichtungen auf den Gewichtskörper 220 ausgeübten Kraftkomponenten ±Fx, ±Fy, ±Fz können als Auslenkungen in die jeweiligen Achsenrichtungen detektiert werden, wie vorhergehend beschrieben. Acht Sätze von piezoelektrischen Elementen, die zwischen die in 26 gezeigten Elektrodenschichten D21 bis D28 und die eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E20 eingefügt sind, fungieren als Auslenkungsdetektoren in die jeweiligen Achsenrichtungen. In dieser Ausführungsform werden die Elektrodenschichten D21, D23 zur Detektierung von Auslenkung bezüglich der X-Achsen-Richtung (entsprechend der Kraft ±Fx) verwendet, werden die Elektrodenschichten D26, D28 zur Detektierung von Auslenkung bezüglich der Y-Achsen-Richtung (entsprechend der Kraft ±Fy) verwendet und werden die Elektrodenschichten D22, D24, D25, D27 zur Detek tierung von Auslenkung bezüglich der Z-Achsen-Richtung (entsprechend der Kraft ±Fz) verwendet.
  • In dem Fall zum Beispiel, in dem der Gewichtskörper 220 zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst wird, wird das Biegen des flexiblen Substrats 210 auf das piezoelektrische Element 250 übertragen. Folglich wird ein sich an einem unteren Teil der Elektrodenschicht D21 des piezoelektrischen Elements 250 befindender Teil auf eine Weise verformt, dass er sich in eine seitliche Richtung kontrahiert, und ein sich an einem unteren Teil der Elektrodenschicht D23 befindender Teil auf eine Weise verformt, dass er in eine seitliche Richtung expandiert. Dementsprechend werden auf der Basis der in 23A und 23B gezeigten Polarisierungseigenschaften negative Ladungen und positive Ladungen an der Elektrodenschicht D21 bzw. der Elektrodenschicht D23 erzeugt. Durch Messung dieser erzeugten Ladungen ist es möglich eine Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die positive Richtung der X-Achse zu erlangen.
  • Darüber hinaus wird in dem Fall, in dem der Gewichtskörper 220 zu einer Auslenkung in die negative Richtung der X-Achse veranlasst wird, die Polarität der Ladungen im Vergleich zu dem oben beschriebenen Fall umgekehrt. Deshalb ist es bei der Messung von bezüglich der Elektrodenschichten D21, D23 erzeugten Ladungen möglich das Ausmaß der Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die X-Achsen-Richtung zu detektieren. In einem praktischeren Sinn ist es im Fall einer Messung, wie viele Ladungen erzeugt werden, wenn der Gewichtskörper 220 tatsächlich zu einer Auslenkung veranlasst wird, in einem für Versuche hergestellten Sensor möglich, auf der Basis der tatsächlich gemessenen Werte eine Beziehung zwischen der Menge an erzeugten Ladungen und dem Ausmaß der Auslenkung zu erlangen.
  • Auf ähnlich Weise wird es durch Messen der bezüglich der Elektrodenschichten D26, D28 erzeugten Ladungen möglich, das Ausmaß der Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die Y-Achsen-Richtung zu detektieren. Man beachte, dass der Grund für die Verwendung der innen angeordneten Elektro denschichten D26, D28 anstatt der Verwendung der außen angeordneten Elektrodenschichten D22, D24 in der Notwendigkeit besteht, die Elektrodenschichten D22, D24 zur Detektierung des oben beschrieben Ausmaßes der Auslenkung in die Z-Achsen-Richtung zu verwenden. Unter einem theoretischen Gesichtspunkt entstehen auch bei der Verwendung der außen angeordneten Elektrodenschichten D22, D24 zur Ausführung der Detektierung in die Y-Achsen-Richtung keinerlei Probleme.
  • Indessen werden in dieser Ausführungsform vier Elektrodenschichten D22, D24, D25, D27 zur Detektierung des Ausmaßes der Auslenkung in die Z-Achsen-Richtung verwendet. Wie in 26 gezeigt, sind die Elektrodenschichten D22, D24 außen angeordnete Elektrodenschichten, während die Elektrodenschichten D25, D27 innen angeordnete Elektrodenschichten sind. Es ist vorzuziehen, die außen angeordneten Elektrodenschichten und die innen angeordneten Elektrodenschichten zur Detektierung des Auslenkungsausmaßes in die Z-Achsen-Richtung in Kombination zu verwenden. Das, weil bei der Veranlassung des Gewichtskörpers 220 zu einer Auslenkung in die positive Z-Achsen-Richtung (in die obere Richtung in 25) in dem Winkelgeschwindigkeitssensor der innere Teil des piezoelektrischen Elements 250 in eine seitliche Richtung expandiert und sich der äußere Teil in die seitliche Richtung kontrahiert. Dementsprechend werden auf der Basis der in 23A und 23B gezeigten Polarisierungseigenschaft positive Ladungen und negative Ladungen an den innen angeordneten Elektrodenschichten D25, D27 bzw. an den außen angeordneten Elektrodenschichten D22, D24 erzeugt. Im Gegensatz dazu kontrahiert sich bei der Veranlassung des Gewichtskörpers 220 zu einer Auslenkung in die negative Z-Achsen-Richtung (in die untere Richtung in 25) auf eine der obengenannten Weise entgegengesetzten Weise der innere Teil des piezoelektrischen Elements 250 in eine seitliche Richtung und expandiert der äußere Teil in die seitliche Richtung. Dementsprechend werden auf Basis der in 23A und 23B gezeigten Polarisierungseigenschaft negative Ladungen und positive Ladungen an den innen angeordneten Elektrodenschichten D25, D27 bzw. an den außen angeordneten Elektrodenschichten D22, D24 erzeugt. Dementsprechend ist es bei einer Messung von bezüglich der Elektrodenschichten D22, D24, D25, D27 erzeugten Ladungen möglich das Auslenkungsausmaß des Gewichtskörpers 220 in die Z-Achsen-Richtung zu detektieren.
  • Man beachte, dass es auf Grund der linearen Symmetrie aller jeweiligen die Auslenkungsdetektoren bildenden Elektrodenschichten D21 bis D28 bezüglich der X-Achse oder der Y-Achse, wie in 26 gezeigt, bei der Ausführung von Auslenkungsdetektierung in die jeweiligen Achsenrichtungen keinen Einfluss von anderen Achsenkomponenten gibt. Da zum Beispiel die zur Ausführung von Auslenkungsdetektierungen in die X-Achsen-Richtung verwendeten Elektrodenschichten D21, D23 alle bezüglich der X-Achse linear symmetrisch sind, expandiert in dem Fall, in dem Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung stattfindet, ein Bereich einer Hälfte unter den Elektrodenschichten D21, D23 in eine seitliche Richtung, aber ein Bereich der anderen Hälfte kontrahiert sich. Dementsprechend heben sich unter den Elektrodenschichten D21, D23 erzeugte Ladungen in ihrer Gesamtheit auf.
  • Schließlich wird in dieser Ausführungsform die Konfiguration angewendet, in der Auslenkungsdetektoren (einige entsprechende Teile des piezoelektrischen Elements 250) zur Detektierung von Auslenkung in die Richtung entlang der jeweiligen Achsen jeweils im positiven und negativen Bereich der X-Achse und im positiven und negativen Bereich der Y-Achse angeordnet sind. Dann wird unter Verwendung der sowohl im positiven als auch negativen Bereich der X-Achse angeordneten Auslenkungsdetektoren eine in die X-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 220 ausgeübte Coriolis-Kraft detektiert und unter Verwendung der sowohl im positiven als auch im negativen Bereich der Y-Achse angeordneten Auslenkungsdetektoren eine in die Y-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 220 ausgeübte Coriolis-Kraft detektiert.
  • Um Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy und ωz um die jeweiligen Achsen durch den wie oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor 200 zu detektieren, werden in dem Zustand, in dem die entsprechenden Lieferpha sen verschoben werden, wodurch der Gewichtskörper 220 eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XY-Ebene ausführen kann, vorherbestimmte Ladungen periodisch an die Elektrodenschichten G21 bis G24 geliefert. Wenn ferner ein Lösungsansatz angewendet wird, um die an den Elektrodenschichten D22, D24, D25, D27 in dem Moment, in dem der Gewichtskörper 220 die X-Achse durchläuft, erzeugten Ladungen zu messen und die Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die Z-Achsen-Richtung zu detektieren, entspricht diese Auslenkung einer in die Z-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 220 ausgeübten Kraftkomponente Fz, wodurch es möglich wird, auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 13 gezeigten Punkt Px eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse zu erlangen.
  • Wenn außerdem an den Elektrodenschichten D21, D23 erzeugte Ladungen gemessen werden, um Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die X-Achsen-Richtung zu detektieren, entspricht diese Auslenkung einer in die X-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 220 ausgeübten Kraftkomponente Fx, wodurch es möglich wird, auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 14 gezeigten Punkt Px eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse zu erlangen.
  • Wenn ferner ein Lösungsansatz angewendet wird, um die an den Elektrodenschichten D22, D24, D25, D27 erzeugten Ladungen in dem Moment zu messen, in dem der Gewichtskörper 220 die Y-Achse durchläuft, und eine Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die Z-Achsen-Richtung zu detektieren, entspricht diese Auslenkung einer in die Z-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 220 ausgeübten Kraft Fz, wodurch es möglich wird, auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 13 gezeigten Punkt Py eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse zu erlangen. Wenn alternativ ein Lösungsansatz angewendet wird, um die an den Elektrodenschichten D26, D28 erzeugten Ladungen zu dem gleichen Zeitpunkt wie obenstehend genannt zu messen und eine Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die Y-Achsen-Richtung zu detektieren, entspricht diese Auslenkung einer in die Y-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 220 ausgeübten Kraft Fy, wodurch es möglich wird, auf ähnliche Weise auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 14 gezeigten Punkt Py eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse zu erlangen.
  • Während in der oben beschriebenen Ausführungsform die zwölf Individualelektrodenschichten G21 bis G24, D21 bis D28 an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 angeordnet sind und die einzelne eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E20 an der unteren Oberfläche davon angeordnet ist, kann eine Konfiguration angewendet werden, in der die einzelne eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E20 an der oberen Oberfläche angeordnet ist und die zwölf Individualelektrodenschichten G21 bis G24, D21 bis D28 in einer der oben genannten Weise entgegengesetzten Weise an der unteren Oberfläche angeordnet sind. Alternativ kann eine derartige Konfiguration angewendet werden, dass die zwölf Individualelektrodenschichten an der oberen Oberfläche und die anderen zwölf Individualelektrodenschichten an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 angeordnet sind, ohne eine eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht zu verwenden. Man beachte, dass es zum Zweck der Vereinfachung der Verdrahtung vorzuziehen ist, die eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht zu bilden.
  • §9 Andere Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der das piezoelektrische Element vom Typ I verwendet
  • Anschließend wird mit Bezug auf die Seitenquerschnittsansicht in 27 und die Draufsicht von oben in 28 eine Struktur und ein Detektierungsvorgang eines Winkelgeschwindigkeitssensors 280 beschrieben, der einer Modifizierung des oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors 200 entspricht. 28 ist eine Ansicht, in der ein flexibles Substrat 210 von den Komponenten des in 27 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors 280 von oben betrachtet wird und der in 28 gezeigte Querschnittsschnitt entlang der X-Achse des flexiblen Substrats 210 in 27 gezeigt ist. Der Unterschied in der Struktur zwischen dem in 25 und 26 gezeigten Winkelgeschwin digkeitssensor 200 und dem in 27 und 28 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 280 besteht nur in einer Anordnung der jeweiligen Elektrodenschichten auf dem piezoelektrischen Element 250. Die in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 200 vorgesehenen inneren Elektrodenschichten G22, G24, D25, D28 werden nämlich in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 280 durch eine einzige Elektrodenschicht G25 ersetzt, wie in 28 gezeigt. Man beachte, dass die äußeren Elektrodenschichten G21, G23, D21 bis D24 sich in der Form etwas von denen des Winkelgeschwindigkeitssensors 200 unterscheiden, aber nicht wesentlich verändert sind. In diesem Winkelgeschwindigkeitssensor 280 fungieren die Elektrodenschichten G21, G23, G25 als ein Kraftgenerator und fungieren die Elektrodenschichten D21 bis D24 als ein Auslenkungsdetektor.
  • Der große Unterschied in der Arbeitsweise zwischen dem Winkelgeschwindigkeitssensor 200 und dem Winkelgeschwindigkeitssensor 280 besteht darin, dass der Gewichtskörper 220 im ersteren zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XY-Ebene veranlasst wird, wohingegen der Gewichtskörper 120 im letzteren zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XZ-Ebene veranlasst wird. Wie vorhergehend beschrieben, kann bei der Lieferung von vorherbestimmten Ladungen an die Elektrodenschichten G21, G23, wobei die eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht E20 auf einem Bezugspotential gehalten wird, der Gewichtskörper 220 eine Auslenkung in die X-Achsen-Richtung ausführen. In diesem Winkelgeschwindigkeitssensor 280 werden ferner vorherbestimmte Ladungen an die Elektrodenschicht G25 geliefert, so dass der Gewichtskörper 220 zu einer Auslenkung in die Z-Achsen-Richtung veranlasst werden kann. Wenn nämlich positive Ladungen an die Elektrodenschicht G25 geliefert werden, wird an einem Teil des piezoelektrischen Elements unter der Elektrodenschicht G25 auf der Basis der in 23A gezeigten Polarisierungseigenschaft eine Kraft in eine Richtung, die eine seitliche Expansion bewirkt, erzeugt. Folglich wird ein derartiges Biegen erzeugt, dass der Gewichtskörper 220 zu einer Auslenkung in die positive Z-Achsen-Richtung (in die obere Rich tung gemäß 27) veranlasst wird. Wenn dahingegen negative Ladungen an die Elektrodenschicht G25 geliefert werden, wird an dem Teil des piezoelektrischen Elements unter der Elektrodenschicht G25 eine Kraft in eine Richtung, die eine seitliche Kontraktion bewirkt, erzeugt. Folglich wird ein derartiges Biegen erzeugt, dass der Gewichtskörper 220 zu einer Auslenkung in die negative Z-Achsen-Richtung (in die untere Richtung in 27) veranlasst wird. Dementsprechend kann der Gewichtskörper 220 bei der geeigneten Lieferung von Ladungen an die jeweiligen Elektrodenschichten G21, G23, G25 eine kreisförmige Bewegung entlang einer kreisförmigen Umlaufbahn 221 ausführen, wie durch einen Pfeil in 27 angezeigt.
  • Schließlich wird in diesem Winkelgeschwindigkeitssensor 280 die Konfiguration angewendet, in der Kraftgeneratoren (einige entsprechende Teile des piezoelektrischen Elements 250) zur Ausübung von Kraft in die Richtung entlang der X-Achse jeweils in dem positiven und negativen Bereich der X-Achse und in dem Bereich in der Nachbarschaft des Ursprungs 0 angeordnet werden, damit diese Kraftgeneratoren periodisch betrieben werden können und der Gewichtskörper 120 dabei eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XZ-Ebene ausführt. Da auf der anderen Seite die Anordnung der als ein Auslenkungsdetektor fungierenden Elektrodenschichten D21 bis D24 im Wesentlichen ähnlich ist wie die Anordnung des vorhergehend beschrieben Winkelgeschwindigkeitssensors 200, ist es deshalb möglich, unter Verwendung der Elektrodenschichten D21 bis D24 eine Kraftkomponente ±Fx in die X-Achsen-Richtung und eine Kraftkomponente ±Fy in die Y-Achsen-Richtung zu detektieren. Wenn ein Lösungsansatz angewendet wird, um eine Kraftkomponente ±Fx in die X-Achsen-Richtung und eine Kraftkomponente ±Fy in die Y-Achsen-Richtung zu detektieren, die in dem Moment auf den Gewichtskörper 220 ausgeübt werden, in dem der Gewichtskörper 220 die X-Achse oder die Z-Achse durchläuft, während der Gewichtskörper 220 eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XZ-Ebene ausführen kann, ist es auf diese Weise möglich, auf der Basis des vor hergehend beschriebenen Detektierungsprinzips alle Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy und ωz um die drei Achsen zu detektieren.
  • Es ist selbstverständlich, dass auch in dieser Ausführungsform, ähnlich wie in der in Kapitel §8 beschriebenen Ausführungsform, eine einzelne eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 vorgesehen sein kann und sieben voneinander unabhängige Individualelektrodenschichten entsprechend an den unteren Oberflächen vorgesehen sein können. Alternativ kann eine derartige Konfiguration angewendet werden, dass sieben voneinander unabhängige Individualelektrodenschichten an der oberen Oberfläche und die anderen sieben voneinander unabhängigen Individualelektrodenschichten an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 angeordnet sind, ohne eine eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht zu verwenden.
  • §10 Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der das piezoelektrische Element vom Typ II verwendet
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 300, dessen Seitenquerschnitt in 29 gezeigt ist, ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor einer Ausführungsform, in der Kraftgeneratoren und Auslenkungsdetektoren von einem piezoelektrischen Element gebildet werden, das die oben beschriebene Polarisierungseigenschaft von dem in 24A, 24B gezeigten Typ II hat. Dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 300 hat eine Struktur, in der ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element 330 mit der Polarisierungseigenschaft vom Typ II zwischen einem scheibenförmigen flexiblen Substrat 310 und einem scheibenförmigen fixierten Substrat 320 angeordnet ist. Ein säulenförmiger Gewichtskörper 340 ist an einer unteren Oberfläche des flexiblen Substrats 310 befestigt. Darüber hinaus werden ein äußerer Umfangsteil des flexiblen Substrats 310 und ein äußerer Umfangsteil des fixierten Substrats 320 beide von einem Sensorgehäuse 350 getragen.
  • Fünf obere Elektrodenschichten E31 bis E35 (nur ein Teil davon ist in 29 dargestellt) sind an einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 330 angeordnet. Auf ähnliche Weise sind fünf untere Elektrodenschichten E36 bis E40 (auf ähnliche Weise ist nur ein Teil davon dargestellt) an einer unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 330 angeordnet. Die oberen Oberflächen der oberen Elektrodenschichten E31 bis E35 sind an einer unteren Oberfläche des fixierten Substrats 320 angeordnet. Die unteren Oberflächen der unteren Elektrodenschichten E36 bis E40 sind an einer oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 310 angeordnet. Da das fixierte Substrat 320 eine ausreichende Steifigkeit hat, besteht keine Möglichkeit, dass es ein Biegen auftritt. Andererseits hat das flexible Substrat 310 Flexibilität und fungiert folglich als eine sogenannte Membran. Für die nachfolgende Erklärung wird ein dreidimensionales XYZ-Koordinatensystem definiert, das einen Ursprung 0 in der Schwerpunktposition des Gewichtskörpers 340 hat, wie in 29 gezeigt. 29 entspricht dem Seitenquerschnittsansichtschnitt entlang der XZ-Ebene des Winkelgeschwindigkeitssensors 300.
  • 30 ist eine Draufsicht von oben, die die obere Oberfläche des piezoelektrischen Elements 300 und die oberen Elektrodenschichten E31 bis E35 zeigt, und 31 ist eine Draufsicht von unten, die die untere Oberfläche des piezoelektrischen Elements 330 und die unteren Elektrodenschichten E36 bis E40 zeigt. Wie in 30 gezeigt, sind die oberen Elektrodenschichten E31 bis E34 alle fächerförmig. Diese Elektrodenschichten sind auf der X-Achse oder der Y-Achse in diesem Koordinatensystem positioniert und nehmen eine bezüglich dieser Achsen linear symmetrische Form an. Darüber hinaus ist die obere Elektrodenschicht E35 kreisförmig und ist genau an einer Position des Ursprungs angeordnet. Auf der anderen Seite nehmen die unteren Elektrodenschichten E36 bis E40 jeweils die gleichen Formen an wie die der oberen Elektrodenschichten E31 bis E35, wie in 31 gezeigt, und sind an Positionen angeordnet, die den oberen Elektrodenschichten E31 bis E35 gegenüberliegen. Man beachte, dass die unteren Elektrodenschichten E36 bis E40 durch eine einzige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht ersetzt werden können. Zusätzlich kann dann, wenn das flexible Substrat 310 aus leitfähigem Material gebildet ist, das flexible Substrat 310 selber als eine einzige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht verwendet werden, so dass es unnötig wird, physikalisch voneinander unabhängige Elektrodenschichten zu bilden.
  • Wie vorhergehend beschrieben, ist das piezoelektrische Element 330 ein piezoelektrisches Element vom Typ II, das eine wie in 24A und 24B gezeigte Polarisierungseigenschaft hat. Im Hinblick darauf wird bei der Anlegung von z.B. einer negativen Spannung an die Elektrodenschicht E31 und einer positiven Spannung an die Elektrodenschicht E36 eine Kraft in eine Richtung, die eine längsgerichtete Kontraktion bewirkt, erzeugt. Außerdem wird bei der Anlegung einer positiven Spannung an die Elektrodenschicht E33 und einer negativen Spannung an die Elektrodenschicht E38 eine Kraft in eine Richtung, die eine längsgerichtete Expansion bewirkt, erzeugt. Dementsprechend wird ein beliebiger dieser Spannungszuführungsvorgänge oder werden beide Spannungszuführvorgänge ausgeführt, wobei der Gewichtskörper 340 eine Auslenkung in eine positive Richtung entlang der X-Achse ausführt. Durch die Anlegung von vorherbestimmten Spannungen an die jeweiligen auf der X-Achse angeordneten Elektrodenschichten E31, E33, E36, E38 kann nämlich bezüglich des Gewichtskörpers 340 eine Auslenkung entlang der X-Achse erzeugt werden. Auf ähnliche Weise kann durch die Anlegung von vorherbestimmten Spannungen an die jeweiligen auf der Y-Achse angeordneten Elektrodenschichten E32, E34, E37, E39 bezüglich des Gewichtskörpers 340 eine Auslenkung entlang der Y-Achse erzeugt werden. Im Hinblick darauf ist es bei Anlegung von periodischen phasenverschobenen Spannungen an die jeweiligen Elektroden möglich, dass der Gewichtskörper 340 eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XY-Ebene ausführt.
  • Schließlich wird in diesem Winkelgeschwindigkeitssensor 300 die Konfiguration angewendet, in der Kraftgeneratoren (einige entsprechende Teile des piezoelektrischen Elements 330) zur Ausübung einer Kraft in die Richtung ent lang der Z-Achse jeweils im positiven und negativen Bereich der X-Achse und im positiven und negativen Bereich der Y-Achse angeordnet sind. Wenn diese Kraftgeneratoren periodisch betrieben werden, kann der Gewichtskörper 340 eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XY-Ebene ausführen.
  • Darüber hinaus kann der Gewichtskörper 340 in diesem Winkelgeschwindigkeitssensor 300 eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XZ-Ebene anstatt der XY-Ebene ausführen. Wenn zum Beispiel eine negative Spannung an die Elektrodenschicht E35 und eine positive Spannung an die Elektrodenschicht E40 angelegt wird, wird eine Kraft in eine Richtung, die eine längsgerichtete Kontraktion bewirkt, erzeugt, wie in 24B gezeigt. Dementsprechend wird der Gewichtskörper 340 in die positive Z-Achsen-Richtung (in die obere Richtung in 29) bewegt. Wenn dahingegen eine positive Spannung an die Elektrodenschicht E35 und eine negative Spannung an die Elektrodenschicht E40 angelegt wird, wird eine Kraft in eine Richtung, die eine längsgerichtete Expansion bewirkt, erzeugt, wie in 24A gezeigt. Dementsprechend wird der Gewichtskörper 340 in die negative Z-Achsen-Richtung (in die untere Richtung in 29) bewegt. Wenn schließlich vorherbestimmte Spannungen an die an der Ursprungsposition angeordneten Elektrodenschichten E35, E40 angelegt werden, ist es möglich bezüglich des Gewichtskörpers 340 Auslenkung entlang der Z-Achse zu erzeugen. Im Hinblick darauf kann der Gewichtskörper 340 bei der Anlegung von periodischen, phasenverschobenen Spannungen an die jeweiligen auf der X-Achse angeordneten Elektrodenschichten E31, E33, E36, E38 und die an der Ursprungsposition angeordneten Elektrodenschichten E35, E40 auch eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XZ-Ebene ausführen.
  • In diesem Fall wird in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 300 die Konfiguration angewendet, in der Kraftgeneratoren (einige entsprechende Teile des piezoelektrischen Elements 330) zur Ausübung einer Kraft in die Richtung entlang der Z-Achse jeweils im positiven und negativen Bereich der X-Achse und im Bereich in einer Nachbarschaft des Ursprungs angeordnet sind. Deshalb kann der Gewichtskörper 340 bei periodischem Betrieb dieser Kraftgeneratoren eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XZ-Ebene ausführen.
  • Auf der anderen Seite ist es durch Messung der in diesen Elektrodenschichten erzeugten Ladungen möglich, die in dem Gewichtskörper 340 erzeugte Auslenkung oder auf den Gewichtskörper 340 ausgeübte Kraft zu detektieren. In dem Fall zum Beispiel, in dem eine Kraft +Fx in die positive Richtung der X-Achse auf den Gewichtskörper 340 ausgeübt wird, so dass der Gewichtskörper 340 zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst wird, wird der rechte Seitenteil des in 29 gezeigten piezoelektrischen Elements 330 in die obere und untere Richtung zusammengedrückt (Kontraktion), wohingegen der linke Seitenteil die in obere und untere Richtung gedehnt (Expansion) wird. Dementsprechend werden auf der Basis der in 24A, 24B gezeigten Polarisierungseigenschaft positive Ladungen an den Elektrodenschichten E33, E36 erzeugt und negative Ladungen an den Elektrodenschichten E31, E38 erzeugt. Schließlich ist es durch Messung der an den jeweiligen auf der X-Achse angeordneten Elektrodenschichten E31, E33, E36, E38 erzeugten Ladungen möglich, Auslenkung des Gewichtskörpers 340 (in die X-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 340 ausgeübte Kraftkomponenten ±Fx) in die X-Achsen-Richtung zu detektieren.
  • Auf ähnlich Weise wird es durch Messung der jeweiligen an den auf der Y-Achse angeordneten Elektrodenschichten E32, E34, E37, E39 erzeugten Spannungen möglich Auslenkung des Gewichtskörpers 340 (in die Y-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 340 ausgeübte Kraftkomponenten ±Fy) in die Y-Achsen-Richtung zu detektieren. Außerdem kann bezüglich der Z-Achse durch Messung der an den an der Ursprungsposition angeordneten Elektrodenschichten E35, E40 erzeugten Spannungen Auslenkung in die Z-Achsen-Richtung (Kraftkomponenten ±Fx) detektiert werden. Wenn nämlich eine Kraftkomponente +Fx in die positive Z-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 340 ausgeübt wird, wird das piezoelektrische Element zwischen den Elektrodenschichten E35, E40 in die obere und untere Richtung zusammengedrückt (Kon traktion), und wenn eine Kraftkomponente –Fz in die negative Z-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 340 ausgeübt wird, wird das piezoelektrische Element zwischen den Elektrodenschichten E35, E40 in die obere und untere Richtung gedehnt (Expansion). Dementsprechend ist es möglich ausgeübte Kraftkomponenten ±Fx auf der Basis der Menge und Polarität der an den beiden Elektrodenschichten E35, E40 erzeugten Ladungen zu detektieren.
  • Wie obenstehend dargelegt, übernehmen die jeweiligen Elektrodenschichten des Winkelgeschwindigkeitssensors 300 eine erste Rolle als ein Kraftgenerator, der den Gewichtskörper 340 eine kreisförmige Bewegung ausführen lässt, und eine zweite Rolle als ein Auslenkungsdetektor zur Detektierung von einer auf den Gewichtskörper 340 ausgeübten Coriolis-Kraft.
  • Wenn die Elektrodenschichten E31 bis E34, E36 bis E39 eine Rolle als ein Kraftgenerator erhalten und die Elektrodenschichten F35, E40 eine Rolle als Auslenkungsdetektor erhalten, kann ein Winkelgeschwindigkeitssensor um zwei Achsen realisiert werden, der eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse und eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse in dem Zustand detektiert, in dem der Gewichtskörper 340 zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XY-Ebene veranlasst wird. Wenn nämlich in dem Moment, in dem der Gewichtskörper 340 die X-Achse durchläuft, an den Elektrodenschichten E35, E40 erzeugte Ladungen gemessen werden, ist es möglich Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die Z-Achsen-Richtung zu detektieren. Diese detektierte Auslenkung entspricht einer in die Z-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 340 ausgeübten Kraft Fz, wodurch es möglich wird auf der Basis des Detektierungsprinzips an dem in 13 gezeigten Punkt Px eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse zu erlangen. Auf ähnliche Weise wird es, wenn in dem Moment, in dem der Gewichtskörper 340 die Y-Achse durchläuft, an den Elektrodenschichten E35, E40 erzeugte Ladungen gemessen werden, möglich Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die Z-Achsen-Richtung zu detektieren. Diese detektierte Auslenkung entspricht einer in die Z-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 340 ausgeübten Kraft Fz, wodurch es möglich wird auf der Ba sis des Detektierungsprinzips an dem in 13 gezeigten Punkt Py eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse zu erlangen.
  • Wenn die Elektrodenschichten E31, E36, E33, E38, E35, E40 eine Rolle als ein Kraftgenerator erhalten und die Elektrodenschichten E32, E37, E34, E39 eine Rolle als Auslenkungsdetektor erhalten, kann außerdem ein Winkelgeschwindigkeitssensor um zwei Achsen realisiert werden, der eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse und eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse in dem Zustand detektiert, in dem der Gewichtskörper 340 zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XZ-Ebene veranlasst wird. Wenn in dem Moment, in dem der Gewichtskörper 340 die X-Achse durchläuft, an den Elektrodenschichten E32, E37, E34, E39 erzeugte Ladungen gemessen werden, ist es nämlich möglich, Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die Y-Achsen-Richtung zu detektieren. Diese detektierte Auslenkung entspricht einer in die Y-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 340 ausgeübten Kraft Fy, wodurch es möglich wird eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse zu erlangen. Auf ähnliche Weise wird es, wenn in dem Moment, in dem der Gewichtskörper 340 die Z-Achse durchläuft, an den Elektrodenschichten E32, E37, E34, E39 erzeugte Ladungen gemessen werden, möglich Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die Y-Achsen-Richtung zu detektieren. Diese detektierte Auslenkung entspricht einer in die Y-Achsen-Richtung auf den Gewichtskörper 340 ausgeübten Kraft Fy, wodurch es möglich wird eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse zu erlangen.
  • Man beachte, dass es für die Detektierung aller Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy, ωz um die drei Achsen ausreicht, eine Konfiguration anzuwenden, in der die Elektrodenschichten, die eine Rolle als ein Kraftgenerator haben, und die Elektrodenschichten, die eine Rolle als ein Auslenkungsdetektor haben, separat angeordnet werden. In dem in 23 gezeigten Beispiel ist zum Beispiel die Elektrodenschicht E31 in 30 in E31G und E31D unterteilt, die Elektrodenschicht E33 in E33G und E33D unterteilt und sind die Elektrodenschichten E32, E34 so modifiziert, dass sie die Form von E32D, E34D anneh men. In diesem Beispiel sind die Formen der Elektrodenschichten E32D, E34D so gemacht, dass die die gleichen Formen annehmen wie die Formen der Elektrodenschichten E31D, E33D, so dass die Detektierungsempfindlichkeit in die X-Achsen-Richtung und die Y-Achsen-Richtung einander entsprechen. In diesem Fall dienen die Elektrodenschichten E31G, E33G, E35G als ein Kraftgenerator und haben die Funktion, den Gewichtskörper 340 eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XZ-Ebene ausführen zu lassen. Zusätzlich dienen die Elektrodenschichten E31D, E32D, E33D, E34D als ein Auslenkungsdetektor und haben die Funktion Auslenkungen in die X-Achsen-Richtung und in die Y-Achsen-Richtung (d.h. Kraftkomponenten Fx, Fy) des Gewichtskörpers 340 zu detektieren.
  • In dem Winkelgeschwindigkeitssensor dieser Konfiguration wird der Gewichtskörper 340 zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XZ-Ebene veranlasst und wird Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die Y-Achsen-Richtung in dem Moment detektiert, in dem der Gewichtskörper 340 die X-Achse durchläuft, wodurch es möglich wird Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse zu detektieren. Außerdem wird eine Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die X-Achsen-Richtung zum gleichen Zeitpunkt detektiert, wodurch es möglich wird Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse zu erlangen. Ferner wird Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die Y-Achsen-Richtung in dem Moment detektiert, in dem der Gewichtskörper 340 die Z-Achse durchläuft, wodurch es möglich wird Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse zu erlangen.
  • Man beachte, dass während in dem in 29 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 300 die fünf Individualelektrodenschichten E31 bis E35, wie in 30 gezeigt, an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 330 angeordnet sind und die fünf Individualelektrodenschichten E36 bis E40 an der unteren Oberfläche davon angeordnet sind, entweder die oberen fünf Elektrodenschichten oder die unteren fünf Elektrodenschichten durch eine einzige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht ersetzt werden können.
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 360, dessen Seitenquerschnittsschnittsansicht in 33 gezeigt ist, ist eine Modifizierung des in 29 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors 300. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 360 unterscheidet sich von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 300 dadurch, dass anstatt des flexiblen Substrats 310 ein leitfähiges flexibles Substrat 315 verwendet wird und dass die unteren Elektrodenschichten E36 bis E40 weggelassen sind. Das flexible Substrat 315 ist ein scheibenförmiges flexibles Substrat mit einem Durchmesser, der etwas kleiner ist als der des flexiblen Substrats 310, wobei ein äußerer Umfangsteil nicht von dem Sensorgehäuse 350 getragen wird und frei sein kann. Der Gewichtskörper 340 wird von dem flexiblen Substrat 315, dem piezoelektrischen Element 330, den oberen Elektrodenschichten E31 bis E35 und dem fixierten Substrat 320 getragen und ist in einem hängenden Zustand platziert, wie gezeigt. Dementsprechend kann der Gewichtskörper 340 innerhalb des Sensorgehäuses 350 mit einem gewissen Freiheitsgrad bewegt werden. Zusätzlich fungiert das flexible Substrat 315, da es eine leitende Eigenschaft hat, als eine eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht und die unteren Elektrodenschichten E36 bis E40 sind deshalb unnötig. Wie oben dargelegt, unterscheidet sich der in 33 gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor 360 im Vergleich mit dem in 29 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 300 leicht in der Struktur, aber die Arbeitsweise davon ist genau die gleiche.
  • §11 Gemeinsame Verwendung von Antriebseinrichtung und Detektierungseinrichtung
  • Wie vorhergehend beschrieben, sind in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Erfindung eine Antriebseinrichtung, um den Gewichtskörper eine kreisförmige Bewegung ausführen zu lassen, und eine Detektierungseinrichtung, um eine Coriolis-Kraft zu detektieren, die auf den der kreisförmigen Bewegung ausgesetzten Gewichtskörper die ausgeübt wird, erforderlich. In dem in 18 gezeigten Modell sind zum Beispiel Kraftgeneratoren (Antriebs einrichtung) G1 bis G4, um den Gewichtskörper 40 eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XY-Ebene ausführen zu lassen, und Auslenkungsdetektoren (Detektierungseinrichtung) D1 bis D6 zur Detektierung von einer bezüglich des Gewichtskörpers 40 in die jeweiligen Koordinatenachsenrichtungen ausgeübten Coriolis-Kraft-Komponenten unabhängig voneinander angeordnet. Auch in verschiedenen bisher beschriebenen Ausführungen wurden hauptsächlich Winkelgeschwindigkeitssensoren mit einer Struktur beschrieben, in der Kraftgeneratoren und Auslenkungsdetektoren jeweils getrennt und unabhängig voneinander vorgesehen sind.
  • Wie jedoch aus den beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich ist, können ein Kraftgenerator und ein Auslenkungsdetektor unter einem physikalischen Gesichtspunkt mit einem identischen Element gebildet werden. Ein elektrostatisches Kapazitätselement hat zum Beispiel eine Eigenschaft, dass Coulombsche Anziehungskraft oder Abstoßungskraft zwischen einem Elektrodenpaar erzeugt werden kann, indem Spannung dazwischen angelegt wird. Aus diesem Grund kann ein elektrostatisches Kapazitätselement als ein Kraftgenerator verwendet werden. Zusätzlich wird in einem elektrostatischen Kapazitätselement eine Änderung eines Abstands zwischen den beiden Elektroden als eine Form von einem elektrischen Signal detektiert und es kann auch als ein Auslenkungsdetektor verwendet werden. Auf ähnliche Weise kann ein piezoelektrisches Element, da es eine Eigenschaft hat, dass durch die Anlegung von Spannung mechanische Spannung erzeugt wird, als ein Kraftgenerator verwendet werden. Zusätzlich wird in einem piezoelektrischen Element durch Auslenkung ausgeübte mechanische Spannung als eine Form von einem elektrischen Signal detektiert und es kann auch als ein Auslenkungsdetektor verwendet werden.
  • Während in den beschriebenen Ausführungsformen Komponenten als ein Kraftgenerator und Komponenten als ein Auslenkungsdetektor als getrennte Komponenten behandelt werden, besteht in der Praxis in der physikalischen Struktur kein Unterschied dazwischen und sie wurden in ihrer Betriebs fähigkeit als der Winkelgeschwindigkeitssensor der Einfachheit halber als getrennte Elemente behandelt. Dementsprechend sind beide Komponenten miteinander kompatibel. Tatsächlich können die gleichen Komponenten entweder als ein Kraftgenerator oder als ein Auslenkungsdetektor verwendet werden.
  • In dem in 29 bis 31 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor, wie vorhergehend in Kapitel §10 beschrieben, ist es zum Beispiel, wenn die Elektrodenschichten E31 bis E34, E36 bis E39 eine Rolle als ein Kraftgenerator erhalten und die Elektrodenschichten E35, E40 eine Rolle als ein Auslenkungsdetektor erhalten, möglich eine in die Z-Achsen-Richtung ausgeübte Coriolis-Kraft zu detektieren und eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse und eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse in dem Zustand zu detektieren, in dem der Gewichtskörper 340 zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XZ-Ebene veranlasst wird. Wenn auf der anderen Seite die Elektrodenschichten E31, E36, E38, E35, E40 eine Rolle als ein Kraftgenerator erhalten und die Elektrodenschichten E32, E37, E34, E39 eine Rolle als ein Auslenkungsdetektor erhalten, ist es möglich eine in die Y-Achsen-Richtung ausgeübte Coriolis-Kraft und eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse und eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse in dem Zustand zu detektieren, in dem der Gewichtskörper 340 zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XZ-Ebene veranlasst wird.
  • Man beachte, dass das in Kapitel §10 beschriebene Arbeitsverfahren ein Verfahren ist, in dem jede Komponente jeweils entweder eine Rolle als ein Kraftgenerator oder eine Rolle als ein Auslenkungsdetektor auswählt, aber kein Verfahren ist, in dem eine Komponente beide Rollen gleichzeitig annimmt. Wenn jedoch eine bestimmte Detektierungsschaltung angewendet wird, erhalten die gleichen Komponenten gleichzeitig beide Rollen. Eine Nutzungsart, in der die gleichen Komponenten gemeinsam als eine Antriebseinrichtung und eine Detektierungseinrichtung gleichzeitig verwendet werden, wird untenstehend beschrieben.
  • 34 ist eine Konzeptansicht, die ein Beispiel der Konfiguration eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, der für die Erzeugung von Kraft und die Detektierung von Auslenkung Doppelfunktionselemente GD1 bis GD6 verwendet. In diesem Beispiel üben die Doppelfunktionselemente GD1 bis GD6 gleichzeitig eine Funktion als ein Kraftgenerator und eine Funktion als ein Auslenkungsdetektor aus. Anfangs wird die Funktion dieser Doppelfunktionselemente GD1 bis GD6 als ein Kraftgenerator betrachtet. Das Element GD1 empfängt ein Treibsignal g1 zur Erzeugung einer Kraft, um den Gewichtskörper 40 in die positive Richtung der X-Achse zu bewegen; das Element GD2 empfängt ein Treibsignal g2 zur Erzeugung einer Kraft, um den Gewichtskörper 40 in die positive Richtung der Y-Achse zu bewegen; das Element GD3 empfängt ein Treibsignal g3 zur Erzeugung einer Kraft, um den Gewichtskörper 40 in die negative Richtung der X-Achse zu bewegen; das Element GD4 empfängt ein Treibsignal g4 zur Erzeugung einer Kraft, um den Gewichtskörper 40 in die negative Richtung der Y-Achse zu bewegen; das Element GD5 empfängt ein Treibsignal g5 zur Erzeugung einer Kraft, um den Gewichtskörper 40 in die positive Richtung der Z-Achse zu bewegen; das Element GD6 empfängt ein Treibsignal g6 zur Erzeugung einer Kraft, um den Gewichtskörper 40 in die negative Richtung der Z-Achse zu bewegen.
  • Auf der anderen Seite wird die Funktion dieser Elemente GD1 bis GD6 als ein Auslenkungsdetektor betrachtet. Wenn der Gewichtskörper 40 zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst wird, gibt das Element GD1 ein Detektierungssignal d1 aus; wenn der Gewichtskörper 40 zu einer Auslenkung in die positive Richtung der Y-Achse veranlasst wird, gibt das Element GD2 ein Detektierungssignal d2 aus; wenn der Gewichtskörper 40 zu einer Auslenkung in die negative Richtung der X-Achse veranlasst wird, gibt das Element GD3 ein Detektierungssignal d3 aus; wenn der Gewichtskörper 40 zu einer Auslenkung in die negative Richtung der Y-Achse veranlasst wird, gibt das Element GD4 ein Detektierungssignal d4 aus; wenn der Gewichtskörper 40 zu einer Auslenkung in die positive Richtung der Z-Achse veranlasst wird, gibt das Element GD5 ein Detektierungssignal d5 aus; wenn der Gewichtskörper 40 zu einer Auslenkung in die negative Richtung der Z-Achse veranlasst wird, gibt das Element GD6 ein Detektierungssignal d6 aus.
  • Wenn beispielsweise periodische, zueinander phasenverschobene Signale wie die in 17 gezeigten Treibsignale S1 bis S4 als die Treibsignale g1 bis g4 verwendet werden, wird der Gewichtskörper 40 zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb der XY-Ebene veranlasst. Nun erlange man die Detektierungssignale d1 bis d6, wobei der Gewichtskörper 40 weiterhin zu einer kreisförmigen Bewegung veranlasst wird, in der Umgebung, in der keinerlei Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird. Angenommen, die vorherbestimmten Detektierungssignale d1 bis d6 werden von den entsprechenden Elementen GD1 bis GD6 ausgegeben. Wenn der Gewichtskörper 40 präzise eine kreisförmige Bewegung innerhalb der XY-Ebene ausführt, werden die Detektierungssignale d1 bis d4 selbstverständlich entsprechend der Periode der kreisförmigen Bewegung ein periodisches Signal und werden die Detektierungssignale d5, d6 zu Signalen im steten Zustand.
  • Man betrachte nun den Fall, in dem eine Winkelgeschwindigkeit extern ausgeübt wird. Durch diese Winkelgeschwindigkeit wird eine Coriolis-Kraft auf den Gewichtskörper 40 ausgeübt, der eine kreisförmige Bewegung ausführt. Es wird zum Beispiel eine in die positive Richtung der X-Achse ausgeübte Coriolis-Kraft angenommen, die auf der Basis der in einem bestimmten Moment ausgeübten Winkelgeschwindigkeit erzeugt werden soll. In diesem Fall wird einem Detektierungssignal des Elements GD1 eine auf der erzeugten Coriolis-Kraft basierende Signalkomponente Δα hinzugefügt. Folglich wird von dem Element GD1 ein Detektierungssignal von (d1 + Δα) erlangt.
  • In der Umgebung nämlich, in der keinerlei Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird, wird bei der Zuführung des Treibsignals g1 auf das Element GD1 das Detektierungssignal d1 erlangt. Dahingegen würde in der Umgebung, in der eine Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird, auch wenn das gleiche Treibsignal g1 gegeben ist, ein Detektierungssignal (d1 + Δα) erlangt. Dementsprechend ist es bei einer Messung eines Detektierungssignals d1 im Voraus in der Umgebung, in der keinerlei Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird, möglich auf der Basis des in der Umgebung, in der die Winkelgeschwindigkeit tatsächlich ausgeübt wird, erlangten Detektierungssignals (d1 + Δα) eine durch eine Coriolis-Kraft in die positive Richtung der X-Achse erzeugte Signalkomponente Δα zu erlangen. Dieses Verfahren kann auf die anderen Elemente GD2 und GD6 genau auf die gleiche Weise angewendet werden. Mit anderen Worten, die Elemente GD1 bis GD6 fungieren in ihrem Ansprechen auf die Treibsignale g1 bis g6 als ein Kraftgenerator und fungieren als ein Auslenkungsdetektor, der Detektierungssignale einschließlich einer Komponente der Coriolis-Kraft ausgibt.
  • Da der Winkelgeschwindigkeitssensor, der Doppelfunktionselemente verwendet, die Anzahl der Komponenten reduzieren kann, wie oben dargelegt, besteht der Vorteil, dass die Struktur des Sensorkörpers vereinfacht werden kann. Es besteht jedoch der Nachteil, dass die Signalverarbeitungsschaltung verglichen mit den in den oben erwähnten Ausführungsformen beschriebenen Sensoren, in denen Kraftgeneratoren und Auslenkungsdetektoren getrennt und unabhängig voneinander vorgesehen sind, etwas komplizierter wird. Dementsprechend ist es vorzuziehen, unter einem praktischen Gesichtspunkt unter Berücksichtigung dieser Vorzüge und Nachteile abhängig von dem Zweck die Struktur, in der Kraftgeneratoren und Auslenkungsdetektoren getrennt und voneinander unabhängig vorgesehen sind, oder die Struktur, die Doppelfunktionselemente verwendet, zu wählen.
  • Nun werden verschiedene Ausführungsformen, die Doppelfunktionselemente verwenden, zusammen mit einer Signalverarbeitungsschaltung auf der Basis der in diesem Kapitel beschriebenen grundlegenden Idee beschrieben. Es wird nämlich eine Ausführungsform, in der Doppelfunktionselemente auf den in den Kapiteln §5 und §6 beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor angewendet werden, der Kapazitätselemente verwendet, in Kapitel §12 beschrieben, eine Ausführungsform, in der Doppelfunktionselemente auf den in den Kapiteln §8 und §9 beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor angewendet/werden, der ein piezoelektrisches Element vom Typ I verwendet, in Kapitel §13 beschrieben und eine Ausführungsform, in der Doppelfunktionselemente auf den in Kapitel §10 beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor angewendet/werden, der ein piezoelektrisches Element vom Typ II verwendet, in den Kapiteln §14 und §15 beschrieben.
  • §12 Ausführungsform des Winkelgeschwindigkeitssensors, der Doppelfunktionskapazitätselemente verwendet
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 190, dessen Seitenquerschnitt in 35 gezeigt ist, richtet sich auf eine Ausführungsform, in der Doppelfunktionselemente auf den in 19 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor angewendet/werden, der Kapazitätselemente verwendet, wobei die Anzahl der notwendigen Elektrodenschichten reduziert ist, so dass die gesamte Struktur vereinfacht ist. Der Sensor unterscheidet sich von dem in 19 gezeigten Sensor nur in der Konfiguration der an der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 110 angeordneten Elektrodenschichten und der an der unteren Oberfläche des Abdecksubstrats 150 angeordneten Elektrodenschichten. Dementsprechend wird untenstehend nur die Konfiguration dieser Elektrodenschichten beschrieben und die Erklärung der anderen Komponenten weggelassen.
  • An der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 110 sind vier fächerförmige untere Elektrodenschichten L11 bis L14 angeordnet, wie in 36 gezeigt. Die untere Elektrodenschicht L11 ist im positiven Bereich der X-Achse angeordnet, die untere Elektrodenschicht L12 ist im positiven Bereich der Y-Achse angeordnet, die untere Elektrodenschicht L13 ist im negativen Bereich der X-Achse angeordnet und die untere Elektrodenschicht L14 ist im negativen Bereich der Y-Achse angeordnet. Diese unteren Elektrodenschichten sind alle bezüglich der jeweiligen Koordinatenachsen symmetrisch. Auf der anderen Seite sind obere Elektrodenschichten U11 bis U14 an der unteren Oberfläche des Abdecksubstrats 150 an Positionen angeordnet, die den entsprechenden unteren Elektrodenschichten L11 bis L14 gegenüberliegen. In diesem Beispiel ha ben die oberen Elektrodenschichten U11 bis U14 genau die gleiche Form wie die der unteren Elektrodenschichten L11 bis L14. Von den Elektrodenschichten L11 und U11, den Elektrodenschichten L12 und U12, den Elektrodenschichten L13 und U13 und den Elektrodenschichten L14 und U14 werden jeweils Paare von Kapazitätselementen gebildet.
  • Um den Winkelgeschwindigkeitssensor dieser Konfiguration zu betreiben, wird eine Signalverarbeitungsschaltung bereitgestellt, wie in 37 gezeigt. In diesem Schaltungsdiagramm sind die jeweils am linken Ende angezeigten Kapazitätselemente die Kapazitätselemente, die von den an der unteren Oberfläche des Abdecksubstrats 150 angeordneten oberen Elektrodenschichten und den an der oberen Oberfläche des flexiblen Substrats 110 angeordneten unteren Elektrodenschichten gebildet werden, und stellen U11 bis U14 und L11 bis L14 die oberen Elektrodenschichten und die entsprechenden unteren Elektrodenschichten dar. Die unteren Elektrodenschichten L11 bis L14 sind mit einer gemeinsamen Masse-Ebene verbunden und leitfähig miteinander verbunden. In diesem Beispiel sind B11 bis B18 Pufferschaltungen und sind R11 bis R18 Widerstände. Darüber hinaus sind C1 bis C4 Kapazitäts/Spannungswandlungsschaltungen und haben eine Funktion, elektrostatische Kapazitätswerte der entsprechenden Kapazitätselemente in Spannungswerte zu wandeln und sie auszugeben. Treibsignaleingangsanschlüsse T11, T13, T15, T17 sind die entsprechenden Anschlüsse, denen an die unteren Elektrodenschichten U11, U12, U13, U14 anzulegende Treibspannungen V11, V13, V15, V17 zugeführt werden. Detektierungssignalausgabeanschlüsse T12, T14, T16, T18 sind entsprechende Anschlüsse zur Ausgabe von Detektierungsspannungen V12, V14, V16, V18, die von den Kapazitäts/Spannungswandlungsschaltungen C1, C2, C3, C4 ausgegeben werden.
  • Um den Gewichtskörper 120 unter Verwendung der Signalverarbeitungsschaltung gemäß 37 eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene ausführen zu lassen, reicht es aus, z.B. in 17 gezeigte Treibsignale S1 bis S4 an die entsprechenden Treibsignaleingangsanschlüsse T11, T13, T15, T17 an zulegen. Durch Anlegung dieser Signale mit verschobener Phase werden Coulombsche Anziehungskräfte auf die entsprechenden vier Sätze von Kapazitätselementen ausgeübt. Folglich führt der Gewichtskörper 120 eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene aus.
  • Auf der anderen Seite ist es möglich Auslenkungen des Gewichtskörpers 120 in die jeweiligen Achsenrichtungen zu detektieren. Wenn der Gewichtskörper 120 zum Beispiel zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst wird, wird ein Abstand zwischen den Elektrodenschichten U11 und L11 kurz und ein Abstand zwischen den Elektrodenschichten U13 und L13 länger. Aus diesem Grund steigt ein elektrostatischer Kapazitätswert in den ersteren und sinkt ein elektrostatischer Kapazitätswert in den letzteren. Dementsprechend steigt in der Schaltung gemäß 37 die Detektierungsspannung V12 und sinkt Detektierungsspannung V16. Dementsprechend kann eine Detektierung von Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die positive Richtung der X-Achse auf der Basis eines Unterschiedes zwischen den beiden Detektierungsspannungen V12 und V16 gemacht werden.
  • Wenn der Gewichtskörper 120 dahingegen zu einer Auslenkung in die negative Richtung der X-Achse veranlasst wird, ist die Beziehung zwischen Steigen und Sinken das Gegenteil von der in dem oben beschriebenen Fall. Aus diesem Grund wird das Zeichen des Unterschieds zwischen den beiden Detektierungsspannungen V12 und V16 umgekehrt.
  • Schließlich können durch die Detektierung eines Unterschieds zwischen den an den Ausgangsanschlüssen T12 und T16 erlangten Detektierungsspannungen V12 und V16 Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der X-Achse gemacht werden. Genau auf die gleiche Weise wie oben können durch Detektierung eines Unterschieds zwischen den an den Ausgangsanschlüssen T14 und T18 erlangten Detektierungsspannungen V14 und V18 Detektierungen von Auslenkung sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Y-Achse gemacht werden.
  • Ferner kann diese Signalverarbeitungsschaltung auch Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse detektieren. Wenn der Gewichtskörper 120 zum Beispiel zu einer Auslenkung in die positive Richtung der Z-Achse veranlasst wird, werden die Abstände zwischen den Elektroden der vier Sätze von Kapazitätselementen alle kurz. Folglich steigen die elektrostatischen Kapazitätswerte dieser Kapazitätselemente. Wenn der Gewichtskörper 120 dahingegen zu einer Auslenkung in die negative Richtung der Z-Achse veranlasst wird, werden die Abstände zwischen den Elektroden der vier Sätze von Kapazitätselementen alle lang. Folglich sinken die elektrostatischen Kapazitätswerte dieser Kapazitätselemente. Dementsprechend können Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse auf der Basis eines Steigens oder eines Sinkens einer Gesamtsumme von an den vier Ausgangsanschlüssen T12, T14, T16, T18 erlangten Spannungen (V12 + V14 + V16 + V18) gemacht werden. Obwohl die Auslenkungsdetektierung in die Z-Achsen-Richtung auch durch die Summe aus zwei Spannungen (V12 + V16) oder (V14 + V18) gemacht werden kann, ist es vorzuziehen, die Gesamtsumme der vier Spannungen, wie obenstehend beschrieben, zu verwenden, um eine effektive und stabile Detektierung auszuführen.
  • Man beachte, dass es, da die jeweiligen Elektrodenschichten L11 bis L14, U11 bis U14 alle eine bezüglich der X-Achse oder der Y-Achse linear symmetrische Form haben, keine Möglichkeit gibt, dass irgendeine andere Achsenkomponente das oben beschriebene Detektierungsergebnis stört. In dem Fall zum Beispiel, in dem der Gewichtskörper 120 zu einer Auslenkung entlang der X-Achse veranlasst wird, wird entweder ein Abstand zwischen den Elektrodenschichten U11 und L11 oder ein Abstand zwischen den Elektrodenschichten U13 und L13 kurz und der andere Abstand lang. Aus diesem Grund ist es möglich Auslenkung in die X-Achsen-Richtung als einen Unterschied zwischen den Detektierungsspannungen V12 und V16 zu erlangen. In dem Fall jedoch, in dem der Gewichtskörper 120 zu einer Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung veran lasst wird, wird sowohl der Abstand zwischen den Elektrodenschichten U11 und L11 als auch der Abstand zwischen den Elektrodenschichten U13 und L13 teilweise kürzer oder länger. Deswegen heben sich diese Abstände in ihrer Gesamtheit auf. Folglich wird kein Spannungsunterschied erzeugt. In dem Fall außerdem, in dem der Gewichtskörper 120 zu einer Auslenkung in die positive oder die negative Z-Achsen-Richtung veranlasst wird, wird sowohl der Abstand zwischen den Elektrodenschichten U11 und L11 als auch der Abstand zwischen den Elektrodenschichten U13 und L13 kürzer oder länger. Wenn ein Unterschied zwischen den Detektierungsspannungen V12 und V16 genommen wird, heben sie sich dementsprechend auf.
  • Aus der vorhergehenden Beschreibung wird ersichtlich, dass dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 190 eine Funktion hat, um den Gewichtskörper 120 eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene ausführen zu lassen, und eine Funktion, Auslenkungen des Gewichtskörpers 120 bezüglich sowohl der positiven als auch der negativen Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse unter Verwendung von nur vier Sätzen von Elektrodenpaaren U11 und L11, U12 und L12, U13 und L13, U14 und L14 getrennt voneinander zu detektieren. Im Hinblick darauf können bei Verwendung dieser Elektrodenpaare als die in Kapitel §11 beschriebene Doppelfunktionselemente Detektierungen von Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy, ωz um die jeweiligen Achsen gemacht werden.
  • Die in 17 gezeigten Treibsignale S1 bis S4 werden nämlich anfangs in der Umgebung, in der keinerlei Winkelgeschwindigkeit auf den eine kreisförmige Bewegung ausführenden Gewichtskörper 120 ausgeübt wird, an die entsprechenden Eingangsanschlüsse T11, T13, T15, T17 geliefert. In dieser Umgebung werden die von den Ausgangsanschlüssen T12, T14, T16, T18 ausgegebenen Spannungen V12, V14, V16, V18 gemessen. Es ist selbstverständlich, dass diese gemessenen Spannungen periodische Signale erzeugen, die mit der gleichen Periode variieren wie die der Treibsignale S1 bis S4. Anschließend wird dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 190 in der Umgebung platziert, in der tatsächlich Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird, wobei die Treibsignale S1 bis S4 weiterhin auf ähnliche Weise an die Eingangsanschlüsse T11, T13, T15, T17 geliefert werden, um den Gewichtskörper 120 zu einer Ausführung der kreisförmigen Bewegung entlang der XY-Achse zu bringen. In dieser Umgebung werden die von den Ausgangsanschlüssen T12, T14, T16, T18 ausgegebenen Spannungen V12, V14, V16, V18 wieder gemessen. Wenn diese Spannungswerte sich von den im Voraus gemessenen Spannungswerten unterscheiden, werden ihre Unterschiede Komponenten der Coriolis-Kraft, die auf der auf den Gewichtskörper 120 ausgeübten Winkelgeschwindigkeit basiert. Wenn zum Beispiel der Detektierungsspannungsunterschied (V12–V16), der eine Auslenkung in die X-Achsen-Richtung anzeigt, verglichen mit einem im Voraus gemessenen Wert um Δα steigt, wird eine Coriolis-Kraft in die Richtung der X-Achse mit einer Δα entsprechenden Größe detektiert.
  • Schließlich kann dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 190 eine Coriolis-Kraft in die X-Achsen-Richtung bzw. eine Coriolis-Kraft in die Y-Achsen-Richtung bzw. eine Coriolis-Kraft in die Z-Achsen-Richtung unabhängig voneinander in dem Zustand detektieren, in dem der Gewichtskörper 120 zu einer kreisförmigen Bewegung entlang der XY-Ebene veranlasst wird. Dementsprechend wird es möglich, eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse, eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse und eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse auf der Basis des vorhergehend beschriebenen Prinzips zu detektieren.
  • Obenstehend wurde beschrieben, dass Spannung über die oberen und unteren, einander gegenüberliegenden Elektrodenschichten angelegt wird, um Ladungen mit sich voneinander unterscheidender Polarisierung an beide Elektroden zu liefern, um eine Coulombsche Anziehungskraft dazwischen zu erzeugen, um den Gewichtskörper 120 anzutreiben. Wenn jedoch eine Struktur angewendet wird, die Ladungen der gleichen Polarität entsprechend sowohl an die oberen als auch an die unteren Elektrodenschichten liefern kann, ist es außerdem möglich, den Gewichtskörper 120 durch Coulombsche Abstoßungs kraft anzutreiben. Wenn außerdem zum Beispiel eine Coulombsche Anziehungskraft auf das Elektrodenpaar U11 und L11 ausgeübt wird und gleichzeitig Coulombsche Abstoßungskraft auf das Elektrodenpaar U13 und L13 ausgeübt wird, kann der Gewichtskörper 120 effektiver eine Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse ausführen. Wenn der Gewichtskörper 120 in dem Zustand, in dem einerseits Anziehungskraft ausgeübt wird und andererseits Abstoßungskraft ausgeübt wird, zu einer kreisförmigen Bewegung veranlasst wird, kann ein effektiverer Antriebsvorgang gemacht werden.
  • Wenn darüber hinaus Coulombsche Anziehungskraft auf alle vier Sätze von Elektrodenpaaren oder auf zwei auf der gleichen Koordinatenachse angeordnete Sätzen von Elektrodenpaaren ausgeübt wird, kann der Gewichtskörper 120 zu einer Auslenkung in die positive Richtung der Z-Achse veranlasst werden. Wenn ferner Coulombsche Abstoßungskraft auf alle vier Sätze von Elektrodenpaaren oder auf zwei auf der gleichen Koordinatenachse angeordnete Sätzen von Elektrodenpaaren ausgeübt wird kann der Gewichtskörper 120 zu einer Auslenkung in die negative Richtung der Z-Achse veranlasst werden. Dementsprechend kann der Gewichtskörper 120, wenn der Antriebsvorgang sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse und z.B. der vorhergehend beschriebene Antriebsvorgang sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der X-Achse miteinander kombiniert werden können, zu einer kreisförmigen Bewegung entlang der XZ-Ebene veranlasst werden.
  • Obenstehend wurde beschrieben, dass eine Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die X-Achsen-Richtung durch einen Unterschied zwischen den Detektierungsspannungen (V12–V16) detektiert wird und eine Auslenkung des Gewichtskörpers 120 in die Y-Achsen-Richtung durch einen Unterschied zwischen den Detektierungsspannungen V14–V18 detektiert wird. Der Grund dafür, diesen Unterschied zu nehmen, besteht darin, dass eine Verbesserung der Detektierungsgenauigkeit bewirkt wird und dass bewirkt wird, dass die Auslenkungskomponente in die Z-Achsen-Richtung das Detektierungsergebnis nicht stört. Dementsprechend ist es unter der Prämisse der Verwendung des Win kelgeschwindigkeitssensors in einer derartigen Umgebung, dass keine Coriolis-Kraft in die Z-Achsen-Richtung ausgeübt wird, auch möglich, z.B. Spannungswert V12 oder V16 als einen Wert zu verwenden, der durch sich selbst Auslenkung in die X-Achsen-Richtung anzeigt, und ist es auf ähnliche Weise möglich, Spannungswert V14 oder V18 als einen Wert zu verwenden, der durch sich selbst Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung anzeigt.
  • Während in der oben beschriebenen Ausführungsform sowohl die oberen Elektrodenschichten U11 bis U14 als auch die unteren Elektrodenschichten L11 bis L14 unter einem physikalischen Gesichtspunkt alle unabhängige Individualelektrodenschichten sind, können darüber hinaus unter einem physikalischen Gesichtspunkt entweder die oberen Elektrodenschichten oder die unteren Elektrodenschichten durch eine einzige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht ersetzt werden (eine scheibenförmige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht, die im Fall dieses Beispiels allen vier fächerförmigen Elektrodenschichten gegenüberliegt). Um die Verdrahtung zwischen den Elektrodenschichten zu vereinfachen, ist es vorzuziehen, eine solche eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht zu verwenden. In der in 37 gezeigten Schaltung sind die unteren Elektrodenschichten L11 bis L14 gemeinsam mit der Masse verbunden und dienen unter einem elektrischen Gesichtspunkt als eine gemeinsamen Elektrode.
  • In dem Fall des Winkelgeschwindigkeitssensors mit der wie in 35 oder in 19 bis 22 gezeigten Struktur können kostengünstige und leistungsstarke Winkelgeschwindigkeitssensoren in Serie produziert werden, indem sie aus Material gebildet werden, auf das die Massenherstellungstechnik für übliche Halbleitervorrichtungen oder die Mikro-Machining-Technik angewendet werden kann. Wenn z.B. in 35 Teile wie z.B. das flexible Substrat 110, der Gewichtskörper 120, der Sockel 130 und/oder das Abdecksubstrat 150 aus einem Siliziumsubstrat oder einem Glassubstrat gebildet werden, kann z.B. Anoden-Bondtechnik usw. verwendet werden, um eine Verbindung zwischen einem Glassubstrat und einem Siliziumsubstrat herzustellen, und Siliziumdirekt bondtechnologie usw. verwendet werden, um eine Verbindung zwischen Siliziumsubstraten herzustellen. Man beachte, dass bei der Anordnung von unter einem physikalischen Gesichtspunkt unterschiedlichen Individualelektrodenschichten auf einem Siliziumsubstrat in einer einander benachbarten Weise die Möglichkeit besteht, dass diese Elektrodenschichten einander durch Kopplung mit Kapazität in dem Siliziumsubstrat stören. Dementsprechend ist es vorzuziehen, Individualelektrodenschichten auf einem Glassubstrat zu bilden, wann immer es möglich ist. Wenn eine unter einem physikalischen Gesichtspunkt einzige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht angewendet wird, stellt die Bildung einer solchen eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht auf einem Siliziumsubstrat keinerlei Problem dar.
  • §13 Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der ein piezoelektrisches Doppelfunktionselement vom Typ I verwendet
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 290, dessen Seitenquerschnitt in 38 gezeigt ist, richtet sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor einer Ausführungsform, in der Doppelfunktionselemente auf den in 25 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor angewendet/werden, der das piezoelektrische Element von Typ I verwendet, um dabei die Anzahl von Elektrodenschichten zu reduzieren, so dass die gesamte Struktur vereinfacht wird. Dieser Winkelgeschwindigkeitssensor unterscheidet sich von dem in 25 gezeigten Sensor nur in der Konfiguration der sowohl an der oberen als auch an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 angeordneten Elektrodenschichten. Im Hinblick darauf wird nur die Konfiguration der Elektrodenschichten beschrieben und die Erklärung der anderen Komponenten weggelassen.
  • Wie in 39 gezeigt, sind vier fächerförmige obere Elektrodenschichten U21 bis U24 auf der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 angeordnet. Die obere Elektrodenschicht U21 ist im positiven Bereich der X-Achse angeordnet, die obere Elektrodenschicht U22 ist im positiven Bereich der Y-Achse angeordnet, die obere Elektrodenschicht U23 ist im negativen Be reich der X-Achse angeordnet und die obere Elektrodenschicht U24 ist im negativen Bereich der Y-Achse angeordnet. Diese oberen Elektrodenschichten sind alle bezüglich der jeweiligen Koordinatenachsen symmetrisch. Außerdem ist an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 eine ringförmige untere eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht L20 allen oberen Elektrodenschichten U21 bis U24 gegenüberliegend angeordnet. Folglich sind vier Sätze von teilweise piezoelektrischen Elementen zwischen den Elektrodenschichten U21 und L20 bzw. Elektrodenschichten U22 und L20 bzw. Elektrodenschichten U23 und L20 bzw. Elektrodenschichten U24 und L20 vorgesehen.
  • Auf der anderen Seite richtet sich ein Winkelgeschwindigkeitssensor 295, dessen Seitenquerschnitt in 40 gezeigt ist, auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor einer Ausführungsform, in der die Anordnung der Elektrodenschichten des in 38 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors leicht verändert ist. Es sind nämlich vier fächerförmige Elektrodenschichten U26 bis U29 an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 295 angeordnet, wie in 41 gezeigt. Die obere Elektrodenschicht U26 ist im positiven Bereich der X-Achse angeordnet, die untere Elektrodenschicht U27 ist im positiven Bereich der Y-Achse angeordnet, die obere Elektrodenschicht U28 im negativen Bereich der X-Achse angeordnet und die obere Elektrodenschicht U29 ist im negativen Bereich der Y-Achse angeordnet. Diese oberen Elektrodenschichten sind alle bezüglich der jeweiligen Koordinatenachsen symmetrisch. Außerdem ist eine ringförmige untere eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht L25 an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 angeordnet, so dass sie allen vier oberen Elektrodenschichten U26 bis U29 gegenüberliegt. Folglich sind vier Sätze von teilweise piezoelektrischen Elementen zwischen den Elektrodenschichten U26 und L25 bzw. den Elektrodenschichten U27 und L25 bzw. den Elektrodenschichten U28 und L25 bzw. den Elektrodenschicht U29 und L25 eingefügt.
  • Der Unterschied zwischen dem in 38 und 39 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 290 und dem in 40 und 41 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 295 besteht nur darin, dass die jeweiligen Elektrodenschichten innerhalb des Innenbereichs oder innerhalb des Außenbereichs angeordnet sind. Die Bedeutung des Anordnungsbereichs wird mit Bezug auf die Seitenquerschnittsansicht gemäß 42 beschrieben. Nimmt man nun an, dass die Kraft Fz in einem Zustand, in dem der fixierte Teil 213 des flexiblen Substrats 210 befestigt ist, in eine obere Richtung auf den Arbeitsteil 211 ausgeübt wird, wird in dem flexiblen Teil 212 ein wie in der Figur gezeigtes Biegen erzeugt, wobei sich die in dem flexiblen Teil 212 erzeugten mechanischen Spannungen je nach individuellen Teil unterscheiden.
  • Nimmt man an, dass eine mechanische Spannung in eine Richtung, die eine seitliche Expansion bewirkt, in der Figur durch Plus angezeigt wird und eine mechanische Spannung in eine Richtung, die eine seitliche Kontraktion bewirkt, in der Figur durch Minus angezeigt wird, nimmt die mechanische Spannung an einer Randposition P1 der Innenseite einen positiven Maximalwert an und nimmt die mechanische Spannung an einer Randposition P2 der Außenseite einen negativen Maximalwert an, wie durch das Verteilungsdiagramm der mechanischen Spannung in dem unteren Teil von 42 angezeigt. Die mechanische Spannung verändert sich zunehmend zwischen den Positionen P1 und P2 und die mechanische Spannung wird an einem Punkt P3 Null. Wenn hier ein Bereich der Randposition des Inneren bis zu dem Punkt P3 als ein Innenbereich A1 definiert wird und ein Bereich von dem Punkt P3 bis zu der Randposition P2 des Äußeren ist als ein Außenbereich A2 definiert, wird in dem Innenbereich A1 positive mechanische Spannung erzeugt und in dem Außenbereich A2 negative mechanische Spannung erzeugt. 43 ist eine Draufsicht des flexiblen Substrats 210 von oben zum Anzeigen der Verteilung der mechanischen Spannung in dem Innenbereich A1 und dem Außenbereich A2.
  • Wenn diese Verteilung der mechanischen Spannung berücksichtigt wird, ist verständlich, dass trotz der Veranlassung des Arbeitsteils 211 zu einer Auslenkung in dem Innenbereich A1 und dem Außenbereich A2 in genau die gleiche Richtung einander vollkommen gegensätzliche Phänomene auftreten. Wenn zum Beispiel positive Ladungen in den im Innenbereich A1 angeordneten Elektrodenschichten erzeugt werden, werden in den im Außenbereich A2 angeordneten Elektrodenschichten negative Ladungen erzeugt. Dementsprechend ist eine Elektrodenschicht, die eine Brücke über den Innenbereich A1 und den Außenbereich A2 schafft, bei der Detektierung von Auslenkung des Arbeitsteils 211 nicht vorzuziehen, da in einer solchen Brückenelektrodenschicht in einem Teil des Innenbereichs A1 ein Phänomen auftritt und in einem Teil des Außenbereichs A2 das andere Phänomen auftritt, so dass sie sich aufheben. Aus diesem Grund wird bei der Verwendung einer solchen Brückenelektrode als ein Kraftgenerator die Antriebseffektivität verringert und bei der Verwendung einer solchen Brückenelektrode als Auslenkungsdetektor die Detektierungsempfindlichkeit verringert. Man kann sagen, dass der in 25 und 26 gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor 200 (der in Kapitel §8 beschriebene Winkelgeschwindigkeitssensor) ein Sensor ist, in dem die Tatsache, dass an den im Außenbereich A1 angeordneten Elektrodenschichten G22, G24, D25 bis D28 und den im Außenbereich A2 angeordneten Elektrodenschichten G21, G23, D21 bis D24 einander entgegengesetzte Phänomene auftreten, berücksichtigt wird, um beide Elektrodenanordnungen bis ins Einzelne zu kombinieren, um dadurch eine effektive Detektierung zu ermöglichen.
  • Der in 38 und 39 gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor 290 richtet sich auf einen Sensor einer Ausführungsform, in der alle Elektroden innerhalb des Innenbereichs A1 angeordnet sind, wobei eine mechanische Spannung innerhalb des Innenbereichs A1 bewirkt wird, um den Gewichtskörper 220 anzutreiben und die Auslenkung des Gewichtskörpers 220 auf der Basis von innerhalb des Innenbereichs A1 erzeugter mechanische Spannung detektiert wird. In dem Sensor 290 wird keine mechanische Spannung des Außen bereichs A2 verwendet. Auf der anderen Seite richtet sich der in den 40 und 41 gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor 295 auf einen Sensor einer Ausführungsform, in der alle Elektroden innerhalb des Außenbereichs A2 angeordnet sind, wobei eine mechanische Spannung innerhalb des Außenbereichs A2 bewirkt wird, um den Gewichtskörper 220 anzutreiben und die Auslenkung des Gewichtskörpers 220 auf der Basis von innerhalb des Außenbereichs A2 erzeugter mechanische Spannung detektiert wird. In dem Sensor 295 wird keine mechanische Spannung des Innenbereichs A1 verwendet.
  • Wie oben beschrieben, tritt in Abhängigkeit davon, ob die jeweiligen Elektrodenschichten innerhalb des Innenbereichs A1 oder innerhalb des Außenbereichs A2 existieren, ein unterschiedliches Phänomen auf. Das Detektierungsprinzip ist jedoch im Grunde das gleiche, unabhängig davon, welches Phänomen auftritt. Im Hinblick darauf wird untenstehend nur die Arbeitsweise des in 38 und 39 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors 290 beschrieben und eine Erklärung der Arbeitsweise/des Winkelgeschwindigkeitssensors 295 wird hier weggelassen.
  • Um den in 38 und 39 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 290 betreiben, wird eine Signalverarbeitungsschaltung bereitgestellt, wie in 44 gezeigt. In diesem Schaltungsdiagramm kennzeichnen U21 bis U24 und L20, die am linken Ende angezeigt sind, die an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 angeordneten oberen Elektrodenschichten bzw. die an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 250 angeordnete untere Elektrodenschicht und ist das piezoelektrische Element vom Typ I zwischen den jeweiligen Paaren der Elektrodenschichten eingefügt. Darüber hinaus kennzeichnen B21 bis B28 Pufferschaltungen und kennzeichnen R21 bis R28 Widerstände. Treibsignaleingangsanschlüsse T21, T23, T25, T27 sind entsprechende Anschlüsse zur Zuführung der Treibspannungen V21, V23, V25, V27, um an die oberen Elektrodenschichten U21, U22, U23, U24 angelegt zu werden, und Detektierungssignalausgabeanschlüsse T22, T24, T26, T28 sind entsprechende Anschlüsse zur Ausgabe der Detektierungsspannungen V22, V24, V26, V28, die momentane Potentiale der oberen Elektrodenschichten U21, U22, U23, U24 anzeigen.
  • Um den Gewichtskörper 220 unter Verwendung einer solchen Signalverarbeitungsschaltung eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene ausführen zu lassen, reicht es aus, z.B. die in 17 gezeigten Treibsignale S1 bis S4 an entsprechende Eingangsanschlüsse T21, T23, T25, T27 zu liefern. Entsprechend phasenverschobene Signale werden Teilen der vier Sätze der jeweiligen piezoelektrischen Elemente zugeführt. Demzufolge werden Auslenkungen in vorherbestimmte Richtungen erzeugt. Folglich führt der Gewichtskörper 220 eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene aus.
  • Auf der anderen Seite ist es bei der Verwendung einer solchen Signalverarbeitungsschaltung möglich Auslenkungen in die jeweiligen Achsenrichtungen des Gewichtskörpers 220 zu detektieren. Wenn der Gewichtskörper 220 zum Beispiel zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst wird, wird in einem Bereich, in dem die obere Elektrodenschicht U21 gebildet ist, mechanische Spannung in eine Richtung, die eine Kontraktion entlang der X-Achse bewirkt, ausgeübt. Aus diesem Grund wird ersichtlich, dass bei der Betrachtung der Polarisierungseigenschaft des in 23A und 23B gezeigten piezoelektrischen Elements vom Typ I positive Spannung und negative Spannung als Detektierungsspannung V22 bzw. Detektierungsspannung V26 erlangt werden. Im Hinblick darauf kann eine Detektierung einer Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die positive Richtung der X-Achse auf der Basis eines Unterschieds zwischen den beiden Detektierungsspannungen V22 und V26 gemacht werden.
  • Wenn der Gewichtskörper 220 hingegen zu einer Auslenkung in die negative Richtung der X-Achse veranlasst wird, haben die Detektierungsspannungen denen des oben beschriebenen Falls entgegengesetzte Polaritäten. Aus diesem Grund ist das Zeichen des Unterschieds zwischen den beiden Detektierungsspannungen V22 und V26 umgekehrt.
  • Schließlich können Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung auf der Basis eines Unterschieds zwischen den an den Ausgangsanschlüssen T22, T26 erlangten Detektierungsspannungen V22 und V26 gemacht werden. Auf genau die gleiche Weise können Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Y-Achse auf der Basis eines Unterschieds zwischen den an den Ausgangsanschlüssen T24, T28 erlangten Detektierungsspannungen V24 und V28 gemacht werden.
  • Ferner können mit dieser Signalverarbeitungsschaltung Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse gemacht werden. Wenn der Gewichtskörper 220 zum Beispiel zu einer Auslenkung in die positive Richtung der Z-Achse veranlasst wird, wird mechanische Spannung in eine Richtung, die eine seitliche Expansion bewirkt, in dem Innenbereich A1 erzeugt. Aus diesem Grund werden an allen im Innenbereich A1 angeordneten oberen Elektrodenschichten U21 bis U24 positive Ladungen erzeugt. Deshalb nehmen die vier Sätze der Detektierungsspannungen V22, V24, V26, V28 alle positive Werte an. Wenn der Gewichtskörper 220 dahingegen zu einer Auslenkung in die negative Richtung der Z-Achse veranlasst wird, nehmen die vier Sätze der Detektierungsspannungen V22, V24, V26, V28 alle negative Werte an. Dementsprechend können Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse durch eine Erhöhung oder Senkung einer Gesamtsumme von an den vier Ausgangsanschlüssen T22, T24, T26, T28 erlangten Spannungen (V22 + V24 + V26 + V28) gemacht werden. Obwohl Auslenkungsdetektierung in die Z-Achsen-Richtung durch eine Summe aus zwei Spannungen (V22 + V26) oder (V24 + V28) gemacht werden kann, ist es vorzuziehen die Gesamtsumme aus den vier Spannungen zu verwenden, wie oben beschrieben.
  • Man beachte, dass es, da die jeweiligen oberen Elektrodenschichten U21 bis U24 alle eine bezüglich der X-Achse oder der Y-Achse linear symmetrische Form haben, keine Möglichkeit gibt, dass irgendeine andere Achsenkompo nente das oben beschriebene Detektierungsergebnis stören kann. In dem Fall zum Beispiel, in dem der Gewichtskörper 220 zur Ausführung einer Auslenkung in die X-Achsen-Richtung veranlasst wird, wird in den Bereichen, in denen die oberen Elektrodenschichten U21, U23 angeordnet sind, mechanische Spannung in eine Richtung, die eine Expansion entlang der X-Achse bewirkt, oder in eine Richtung, die eine Kontraktion entlang der X-Achse bewirkt, ausgeübt. Diese mechanische Spannung kann auf der Basis eines Unterschieds zwischen den Detektierungsspannungen V22 und V26 erlangt werden. In dem Fall jedoch, in dem der Gewichtskörper 220 zu einer Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung veranlasst wird, expandieren die Bereiche, in denen die oberen Elektrodenschichten U21, U23 angeordnet sind, teilweise und kontrahieren sich teilweise und erzeugte Ladungen heben sich als ein Ganzes auf, woraufhin keine Wirkung auf die Detektierungsspannungen V22, V26 entsteht. In dem Fall außerdem, in dem der Gewichtskörper 220 zu einer Auslenkung in die positive Z-Achsen-Richtung veranlasst wird, werden in allen im Innenbereich A1 angeordneten oberen Elektrodenschichten positive Ladungen erzeugt. Folglich nehmen die Detektierungsspannungen V22, V26 beide den gleichen positiven Wert an. Dementsprechend heben sie sich auf, wenn ein Unterschied zwischen den Detektierungsspannungen V22 und V26 genommen wird.
  • Aus der oben beschriebenen Beschreibung ist ersichtlich, dass dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 290 nur vier Sätze von Elektrodenpaaren U21 und L20, U22 und L20, U23 und L20, U24 und L20 (L20 ist eine einzige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht) verwendet, um dabei die Funktion zu haben, den Gewichtskörper 220 eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene ausführen zu lassen und die Funktion zu haben, Auslenkungen des Gewichtskörpers 220 sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse getrennt (unabhängig voneinander) zu detektieren.
  • Im Hinblick darauf kann bei der Verwendung dieser Elektrodenpaare als die in Kapitel §11 beschriebene Doppelfunktionselemente die Detektierung von Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy, ωz um die jeweiligen Achsen gemacht werden. Die in 17 gezeigten Treibsignale S1 bis S4 werden nämlich in der Umgebung an die entsprechenden Eingangsanschlüsse T21, T23, T25, T27 geliefert, in der keinerlei Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird, wodurch der Gewichtskörper 220 eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene ausführen kann, und die von den Ausgangsanschlüssen T22, T24, T26, T28 ausgegebenen Spannungen V22, V24, V26, V28 werden gemessen. Diese Spannungen erzeugen selbstverständlich periodische Signale, die mit der gleichen Periode variieren wie die der Treibsignale S1 bis S4. Anschließend wird dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 290 in der Umgebung platziert, in der tatsächlich eine Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird. Dann werden die entsprechenden Treibsignale S1 bis S4 an die Eingangsanschlüsse T21, T23, T25, T27 geliefert, um den Gewichtskörper 220 eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene ausführen zu lassen, und die zu diesem Zeitpunkt von den Ausgangsanschlüssen T22, T24, T26, T28 ausgegebenen Spannungen werden gemessen. Wenn diese Spannungswerte sich von den im Voraus gemessenen Werten unterscheiden, zeigen diese Unterschiede entsprechende Komponenten einer auf der ausgeübten Winkelgeschwindigkeit basierenden Coriolis-Kraft an. Wenn zum Beispiel ein Detektierungsspannungsunterschied (V22–V26), der Auslenkung in die X-Achsen-Richtung anzeigt, verglichen mit einem im Voraus gemessenen Wert um Δα erhöht wird, kann die Ausübung einer Δα entsprechenden Coriolis-Kraft in die positive Richtung der X-Achse erkannt werden.
  • Schließlich kann dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 290 in dem Zustand, in dem der Gewichtskörper 220 zu einer kreisförmigen Bewegung entlang der XY-Ebene veranlasst wird, eine Coriolis-Kraft in die X-Achsen-Richtung bzw. eine Coriolis-Kraft in die Y-Achsen-Richtung bzw. eine Coriolis-Kraft in die Z-Achsen-Richtung unabhängig voneinander detektieren. Dementsprechend wird es möglich eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωx um die X-Achse, eine Winkelgeschwindigkeitskomponente ωy um die Y-Achse und eine Winkelge schwindigkeitskomponente ωz um die Z-Achse auf der Basis des vorhergehend beschriebenen Prinzips zu detektieren.
  • Wenn außerdem positive Ladungen von gleichem Wert gleichzeitig als Spannungen V21, V23, V25, V27 zugeführt werden, werden positive Ladungen an die vier oberen Elektrodenschichten U21 bis U24 geliefert. Da die Bereiche, in denen die jeweiligen Elektrodenschichten angeordnet sind, gleichzeitig in eine seitliche Richtung expandieren, kann der Gewichtskörper 220 eine Auslenkung in die positive Richtung der Z-Achse ausführen, wie in 42 gezeigt. Wenn hingegen negative Ladungen von gleichem Wert gleichzeitig zugeführt werden, werden negative Ladungen an die vier oberen Elektrodenschichten U21 bis U24 geliefert. Da die Bereiche, in denen die jeweiligen Elektrodenschichten angeordnet sind, gleichzeitig in eine seitliche Richtung kontrahiert werden, kann der Gewichtskörper 220 eine Auslenkung in die negative Richtung der Z-Achse ausführen. Obwohl es möglich ist den Gewichtskörper 220 durch die Zuführung von Spannungen nur an die oberen Elektrodenschichten U21, U23 oder die oberen Elektrodenschichten U22, U24 in die positive oder in die negative Richtung der Z-Achse zu bewegen, ist es vorzuziehen Ladungszuführung an alle vier Elektrodenschichten U21 bis U24 auszuführen, wie obenstehend beschrieben, um effektive stabile Auslenkung auszuführen.
  • Wenn der oben beschriebene Antriebsvorgang sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse und der vorhergehend beschriebene Antriebsvorgang sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der X-Achse miteinander kombiniert werden, kann der Gewichtskörper 220 die Ausführung einer kreisförmigen Bewegung entlang der XZ-Ebene ausführen.
  • Während ferner beschrieben wurde, dass Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die X-Achsen-Richtung auf der Basis eines Unterschieds zwischen den Detektierungsspannungen V22 und V26 detektiert wird und Auslenkung des Gewichtskörpers 220 in die Y-Achsen-Richtung auf der Basis eines Unterschieds zwischen den Detektierungsspannungen V24 und V28 detektiert wird, besteht der Grund dafür, dass dieser Unterschied genommen wird, darin, dass eine Verbesserung der Detektierungsgenauigkeit bewirkt wird und die Auslenkungskomponente in die Z-Achsen-Richtung keine Störung des Detektierungsergebnisses bewirkt. Dementsprechend kann unter der Prämisse, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor in einer derartigen Detektierungsumgebung verwendet wird, dass keine Coriolis-Kraft in die Z-Achsen-Richtung ausgeübt wird, ein Spannungswert V22 oder V26 von sich selbst als ein Wert verwendet werden, der eine Auslenkung in die X-Achsen-Richtung anzeigt und kann ein Spannungswert V24 oder V28 auf ähnliche Weise von sich selbst als ein Wert verwendet werden, der eine Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung anzeigt.
  • Während außerdem in der oben beschriebenen Ausführungsform die oberen Elektrodenschichten U21 bis U24 jeweils voneinander unabhängige Individualelektrodenschichten sind und die untere Elektrodenschicht L10 unter einem physikalischen Gesichtspunkt eine einzige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht ist, kann eine Konfiguration angewendet werden, die eine einzige obere eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht und vier jeweils voneinander unabhängige untere Elektrodenschichten hat. Alternativ kann auch eine Konfiguration angewendet werden, in der sowohl die oberen als auch die unteren Elektrodenschichten von getrennten Individualelektrodenschichten gebildet werden, ohne eine eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht zu verwenden. Es ist jedoch vorzuziehen, dass entweder die oberen Elektrodenschichten oder die unteren Elektrodenschichten durch eine einzige gemeinsame Elektrode ersetzt werden, um die Verdrahtung zwischen den Elektrodenschichten zu vereinfachen.
  • §14 Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der ein piezoelektrisches Doppelfunktionselement vom Typ II verwendet
  • Im Kapitel §10 wurden die Konfiguration und die Arbeitsweise des Winkelgeschwindigkeitssensors 300 beschrieben, der ein piezoelektrisches Element vom Typ II verwendet, wie in 29 gezeigt. In Kapitel §10 wurde außerdem beschrieben, dass es für die Detektierung aller Winkelgeschwindigkeitskom ponenten ωx, ωy, ωz ausreicht, die Elektrodenschichten E31G, E33G, E35G vorzusehen, die eine Rolle als Kraftgeneratoren erfüllen und die Elektrodenschichten E31D, E34D, die eine Rolle als Auslenkungsdetektoren erfüllen, wie in 32 gezeigt. Wenn eine solche Rollenteilung ausgeführt wird, wird die Signalverarbeitungsschaltung selbstverständlich vereinfacht. Die Anzahl von erforderlichen Elektrodenschichten wird jedoch unvorteilhafterweise erhöht. Aus diesem Grund wird eine Struktur des Sensorkörpers kompliziert.
  • In diesem Kapitel wird anfangs untenstehend eine Erklärung in Verbindung mit einem Arbeitsverfahren gegeben, in dem das Konzept des in dem Kapitel §11 beschriebenen Doppelfunktionselements auf den in 29 bis 31 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 300 angewendet/wird, um dadurch alle Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy, ωz um die drei Achsen zu detektieren.
  • Es werde nun eine Signalverarbeitungsschaltung bereitgestellt, wie in 45 gezeigt. In diesem Schaltungsdiagramm ist eine in der linken oberen Ecke angezeigte Sandwich-Komponente eine aus 29 ausgeschnittene Komponente, die das piezoelektrische Element 330 und die Elektrodenschichten E31 bis E40 aufweist. In der Schaltung kennzeichnen B31 bis B38 Pufferschaltungen und kennzeichnen R31 bis R38 Widerstände. Treibsignaleingangsanschlüsse T31, T32, T33, T34 sind entsprechende Anschlüsse, die Treibspannungen V31, V32, V33, V34 zuführen, um an die Elektrodenschichten E33, E31, E36, E38 angelegt zu werden, und Detektierungssignalausgabeanschlüsse T35, T36, T37, T38 sind Anschlüsse zur entsprechenden Ausgabe der Detektierungsspannungen V35, V36, V37, V38, die tatsächlich an den Elektrodenschichten E33, E31, E36, E38 erzeugt werden.
  • Nun angenommen, dass positive Ladungen als Treibspannungen V31, V33 angelegt werden und negative Ladungen als Treibspannungen V32, V34 angelegt werden, werden positive Ladungen an die Elektrodenschichten E33, E36 geliefert und negative Ladungen an die Elektrodenschichten E31, E38 geliefert. Es ist verständlich, dass dann, wenn das piezoelektrische Element 330 die in
  • 24A und 24B gezeigte Polarisierungseigenschaft vom Typ II hat, sich der rechte Teil des piezoelektrischen Elements 330 in die Längsrichtung kontrahiert und der linke Teil davon in die Längsrichtung expandiert. Folglich wird der Gewichtskörper 340 (siehe 29), der in 45 nicht dargestellt ist, zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst.
  • Wenn der Gewichtskörper 340, wie vorhergehend beschrieben, zur Ausführung einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse in der Umgebung veranlasst wird, in der keine Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird, werden von den Ausgangsanschlüssen T35 bis T38 ausgegebene Detektierungsspannungen V35 bis V38 im Voraus gemessen. Anschließend wird dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 300 in der Umgebung platziert, in der tatsächlich eine Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird und die entsprechenden Treibspannungen mit einer vorherbestimmten Polarität an die Eingangsanschlüsse T31 bis T34 geliefert werden, um den Gewichtskörper 340 in dem Zustand zu platzieren, in dem er zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst wird. Dann werden zu diesem Zeitpunkt von den Ausgangsanschlüssen T35 bis T38 ausgegebene Spannungen gemessen. Wenn sich diese gemessenen Spannungen von den im Voraus gemessen Spannungen unterscheiden, entsprechen diese Unterschiede entsprechenden Komponenten einer von einer ausgeübten Winkelgeschwindigkeit erzeugten Coriolis-Kraft.
  • Während der Antriebsvorgang und die Auslenkungsdetektierung obenstehend nur bezüglich der X-Achsen-Richtung beschrieben wurden, ist es möglich auf ähnliche Weise eine Schaltung bezüglich der Y-Achsen-Richtung oder der Z-Achsen-Richtung bereitzustellen.
  • §15 Eine andere Ausführungsform eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der ein piezoelektrisches Doppelfunktionselement vom Typ II verwendet
  • Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 390, dessen Seitenquerschnitt in 46 gezeigt ist, richtet sich auf eine Ausführungsform, in der Doppelfunktionselemente auf den in 29 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 300 ange wendet/werden, der piezoelektrische Elemente verwendet, wodurch die Anzahl der erforderlichen Elektrodenschichten reduziert wird, so dass die gesamte Struktur vereinfacht ist. Der Unterschied zwischen dem in 46 gezeigten Sensor 390 und dem in 29 gezeigten Sensor 300 besteht nur in der Konfiguration der an der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 330 angeordneten Elektrodenschichten. Deshalb wird nur die Konfiguration der Elektrodenschichten beschrieben und die Erklärung der anderen Komponenten weggelassen.
  • Wie in 47 gezeigt, sind vier fächerförmige obere Elektrodenschichten U41 bis U44 an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 330 angeordnet. Die obere Elektrodenschicht U41 ist im positiven Bereich der X-Achse angeordnet, die obere Elektrodenschicht U42 ist im positiven Bereich der Y-Achse angeordnet, die obere Elektrodenschicht U43 ist im negativen Bereich der X-Achse angeordnet und die obere Elektrodenschicht U44 ist im negativen Bereich der Y-Achse angeordnet. Diese oberen Elektrodenschichten sind alle bezüglich der jeweiligen Koordinatenachsen symmetrisch. Auf der anderen Seite sind die unteren Elektrodenschichten L41 bis L44, die genau die gleiche Form haben wie die der entsprechenden Elektrodenschichten U41 bis U44, auch an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 330 an Positionen angeordnet, die den entsprechenden oberen Elektrodenschichten U41 bis U44 gegenüberliegen. Folglich sind vier Sätze von teilweise piezoelektrischen Elementen zwischen den Elektrodenschichten U41 und L41, den Elektrodenschichten U42 und L42, den Elektrodenschichten U43 und L43 und den Elektrodenschichten U44 und L44 vorgesehen.
  • Um den Winkelgeschwindigkeitssensor einer solchen Konfiguration zu betreiben, wird eine Signalverarbeitungsschaltung bereitgestellt, wie in 48 gezeigt. In diesem Schaltungsdiagramm sind die jeweils am linken Ende angezeigten Elektrodenschichten U41 bis U44, L41 bis L44 die oben beschriebenen oberen Elektrodenschichten U41 bis U44 bzw. die unteren Elektrodenschichten L41 bis L44 und sind Teile des piezoelektrischen Elements 330 zwischen den jeweiligen Elektrodenschichten eingefügt. In dieser Schaltung kennzeichnen B41 bis B48 Pufferschaltungen und kennzeichnen R41 bis R48 Widerstände. Treibsignaleingangsanschlüsse T41, T43, T45, T47 sind die Anschlüsse für die jeweilige Zuführung von den an die oberen Elektrodenschichten U41, U42, U43, U44 anzulegenden Spannungen V41, V43, V45, V47 und Detektierungssignal-Ausgabeanschlüsse T42, T44, T46, T48 sind Anschlüsse zur entsprechende Ausgabe von den tatsächlichen/momentanen Spannungen der oberen Elektrodenschichten U41, U42, U43, U44 als Detektierungsspannungen V42, V44, V46, V48.
  • Um den Gewichtskörper 340 unter Verwendung dieser Signalverarbeitungsschaltung eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene ausführen zu lassen, reicht es aus, die in 17 gezeigten Treibsignale S1 bis S4 entsprechend an die Zuführanschlüsse T41, T43, T45, T47 zu liefern. Auf die vier Sätze von teilweise piezoelektrischen Elementen werden erfolgreich mechanische Spannungen mit verschobenen Phasen in vorherbestimmte Richtungen ausgeübt. Folglich wird der Gewichtskörper 340 zu einer kreisförmigen Bewegung entlang der XY-Ebene veranlasst.
  • Auf der anderen Seite ist es bei der Verwendung dieser Signalverarbeitungsschaltung möglich, Auslenkungen des Gewichtskörpers 340 in die jeweiligen Achsenrichtungen zu detektieren. Wenn der Gewichtskörper 340 zum Beispiel zu einer Auslenkung in die positive Richtung der X-Achse veranlasst wird, wird der Teil zwischen den Elektrodenschichten U41 und L41 kontrahiert und expandiert der Teil zwischen den Elektrodenschichten U43 und L43. Aus diesem Grund wird negative Spannung als Detektierungsspannung V42 ausgegeben und wird positive Spannung als Detektierungsspannung V46 ausgegeben. Dementsprechend kann eine Detektierung einer Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die positive Richtung der X-Achse auf der Basis eines Unterschiedes zwischen den beiden Detektierungsspannungen V42 und V46 gemacht werden.
  • Wenn der Gewichtskörper 340 dahingegen zu einer Auslenkung in die negative Richtung der X-Achse veranlasst wird, haben die Detektierungsspannungen eine der des oben beschriebenen Falls entgegengesetzte Polarität. Aus diesem Grund wird das Zeichen des Unterschieds zwischen den beiden Detektierungsspannungen V42 und V46 umgekehrt.
  • Schließlich können die Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der X-Achse auf der Basis eines Unterschieds zwischen den an den Ausgangsanschlüssen T42, T46 erlangten Detektierungsspannungen V46 und V42 gemacht werden. Genau auf die gleiche Weise können Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Y-Achse auf der Basis eines Unterschieds zwischen den an den Ausgangsanschlüssen T44, T48 erlangten Detektierungsspannungen V48 und V44 gemacht werden.
  • Ferner können in dieser Signalverarbeitungsschaltung Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse gemacht werden. Wenn der Gewichtskörper 340 zum Beispiel zu einer Auslenkung in die positive Richtung der Z-Achse veranlasst wird, werden mechanische Spannungen in eine Richtung, die eine längsgerichtete Kontraktion bewirkt, an jedem Teil auf das piezoelektrische Element 330 ausgeübt. Aus diesem Grund werden alle Detektierungsspannungen V42, V44, V46, V48 negativ. Wenn der Gewichtskörper 340 dahingegen zu einer Auslenkung in die negative Richtung der Z-Achse veranlasst wird, werden mechanische Spannungen in eine Richtung, die eine längsgerichtete Expansion bewirkt, an jedem Teil auf das piezoelektrische Element 330 ausgeübt. Aus diesem Grund werden alle Detektierungsspannungen V42, V44, V46, V48 positiv. Dementsprechend können Detektierungen von Auslenkungen sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse durch eine Erhöhung oder Senkung einer Gesamtsumme der an den vier Ausgangsanschlüssen T42, T44, T46, T48 erlangten Spannungen (V42 + V44 + V46 + V48) gemacht werden. Obwohl Auslenkungsdetektierung in die Z-Achsen-Richtung auch durch eine Summe aus zwei Spannungen (V42 + V46) oder (V44 + V48) gemacht werden kann, ist es vorzuziehen, die Gesamtsumme aus den vier Spannungen zu verwenden, wie oben beschrieben, um eine effektive und stabile Detektierung auszuführen.
  • Man beachte, dass es, da die jeweiligen Elektrodenschichten U41 bis U44, L41 bis L44 alle eine bezüglich der X-Achse oder der Y-Achse linear symmetrische Form haben, keine Möglichkeit gibt, dass irgendeine andere Achsenkomponente das oben beschriebene Detektierungsergebnis stören kann. In dem Fall zum Beispiel, in dem der Gewichtskörper 340 zur Ausführung einer Auslenkung in die X-Achsen-Richtung veranlasst wird, kontrahiert sich der Teil zwischen den Elektrodenschichten U41 und L41 und expandiert der Teil zwischen den Elektrodenschichten U43 und L432. Aus diesem Grund kann eine Auslenkung in die X-Achsen-Richtung als Unterschied zwischen den Detektierungsspannungen V46 und V42 erlangt werden. In dem Fall jedoch, in dem der Gewichtskörper 340 zur Ausführung einer Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung veranlasst wird, expandiert sowohl der Teil zwischen den Elektrodenschichten U41 und L41 als auch der Teil zwischen den Elektrodenschichten U43 und L43 teilweise oder kontrahiert sich teilweise. Daher heben sich erzeugte Ladungen auf. Folglich findet keine Änderung in den Detektierungsspannungen V42, V46 statt. In dem Fall außerdem, in dem der Gewichtskörper 340 zu einer Auslenkung in die Z-Achsen-Richtung veranlasst wird, kontrahieren sich der Teil zwischen den Elektrodenschichten U41 und L41 und der Teil zwischen den Elektrodenschichten U43 und L43 beide oder expandieren beide. Dementsprechend heben sie sich auf, wenn ein Unterschied zwischen den Detektierungsspannungen V42 und V46 genommen wird.
  • Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 390 nur vier Sätze von Elektrodenpaaren U41 und L41, U42 und L42, U43 und L43, U44 und L44 verwendet, um dabei die Funktion zu haben, den Gewichtskörper 220 eine kreisförmige Bewegung entlang der XY-Ebene ausführen zu lassen, und die Funktion, Auslenkungen des Gewichtskörpers 340 bezüglich sowohl der positiven als auch der negativen Richtung der X- Achse, der Y-Achse und der Z-Achse getrennt zu detektieren. Im Hinblick darauf können bei der Verwendung dieser Elektrodenpaare als die in Kapitel §11 beschriebenen Doppelfunktionselemente Winkelgeschwindigkeitskomponenten ωx, ωy, ωz um die jeweiligen Achsen gemacht werden.
  • Die in 17 gezeigten Treibsignale S1 bis S4 werden nämlich in der Umgebung an die entsprechenden Eingangsanschlüsse T41, T43, T45, T47 geliefert, in der keinerlei Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird, um den Gewichtskörper 340 in dem Zustand zu platzieren, in dem er zu einer kreisförmigen Bewegung entlang der XY-Ebene veranlasst wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die von den Ausgangsanschlüssen T42, T44, T46, T48 ausgegebenen Spannungen V42, V44, V46, V48 im Voraus gemessen. Diese Spannungen erzeugen selbstverständlich periodische Signale, die mit der gleichen Periode variieren wie die der Treibsignale S1 bis S4. Anschließend wird dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 390 in der Umgebung platziert, in der tatsächlich eine Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird. Dann werden die Treibsignale S1 bis S4 an die Eingangsanschlüsse T41, T43, T45, T47 geliefert, um den Gewichtskörper 340 in dem Zustand zu platzieren, in dem er zu einer kreisförmigen Bewegung entlang der XY-Ebene veranlasst wird, und die zu diesem Zeitpunkt von den Ausgangsanschlüssen T42, T44, T46, T48 ausgegebenen Spannungen werden gemessen. Wenn diese gemessenen Spannungswerte sich von den im Voraus gemessenen Werten unterscheiden, zeigen diese Unterschiede entsprechende Komponenten einer durch eine ausgeübte Winkelgeschwindigkeit erzeugten Coriolis-Kraft an. Wenn zum Beispiel der Detektierungsspannungsunterschied (V46–V42), der Auslenkung in die X-Achsen-Richtung anzeigt, verglichen mit einem im Voraus gemessenen Wert um Δα erhöht wird, kann die Ausübung einer der Größe Δα entsprechenden Coriolis-Kraft in die positive Richtung der X-Achse erkannt werden.
  • Schließlich kann dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 390 eine Coriolis-Kraft in die X-Achsen-Richtung bzw. eine Coriolis-Kraft in die Y-Achsen-Richtung bzw. eine Coriolis-Kraft in die Z-Achsen-Richtung in dem Zustand, in dem der Gewichtskörper 340 zu einer kreisförmigen Bewegung entlang der XY-Ebene veranlasst wird, unabhängig voneinander detektieren. Dementsprechend wird es möglich eine Winkelgeschwindigkeit ωx um die X-Achse, eine Winkelgeschwindigkeit ωy um die Y-Achse und eine Winkelgeschwindigkeit ωz um die Z-Achse auf der Basis des vorhergehend beschriebenen Prinzips zu detektieren.
  • Wenn darüber hinaus positive Spannungen von gleichem Wert gleichzeitig als Spannungen V41, V43, V45, V47 geliefert werden, ist es möglich positive Ladungen gleichzeitig an die vier oberen Elektrodenschichten U41 bis U44 zu liefern. Da das piezoelektrische Element 330 über den ganzen Bereich in die Längsrichtung expandiert, kann der Gewichtskörper 340 in diesem Fall eine Auslenkung in die negative Richtung der Z-Achse ausführen. Wenn hingegen negative Spannungen von gleichem Wert gleichzeitig zugeführt werden, ist es möglich negative Ladungen an die vier oberen Elektrodenschichten U41 bis U44 zu liefern. Da sich das piezoelektrische Element 330 in diesem Fall über den ganzen Bereich in die Längsrichtung kontrahiert, kann der Gewichtskörper 340 in diesem Fall eine Auslenkung in die negative Richtung der Z-Achse ausführen. Obwohl der Gewichtskörper 340 auch dann, wenn Ladungen nur an die oberen Elektrodenschichten U41 und U43 oder an die oberen Elektrodenschichten U42 und U44 geliefert werden, eine Auslenkung in die Z-Achsen-Richtung auf ähnliche Weise ausführen kann, ist es vorzuziehen, Ladungen auf eine wie obenstehend beschriebene Weise an alle vier Elektrodenschichten U41 bis U44 zu liefern, damit der Gewichtskörper 340 eine effektive stabile Auslenkung ausführen kann. Wenn der obenstehend beschriebene Antriebsvorgang sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der Z-Achse und der vorhergehend beschriebene Antriebsvorgang sowohl in die positive als auch in die negative Richtung der X-Achse miteinander kombiniert werden, kann der Gewichtskörper 340 eine kreisförmige Bewegung entlang der XZ-Ebene ausführen.
  • Während ferner beschrieben wurde, dass Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die X-Achsen-Richtung auf der Basis eines Unterschieds zwischen den Detektierungsspannungen V42 und V46 detektiert wird und Auslenkung des Gewichtskörpers 340 in die Y-Achsen-Richtung auf der Basis eines Unterschieds zwischen den Detektierungsspannungen V48 und V44 detektiert wird, besteht der Grund dafür, dass dieser Unterschied genommen wird, darin, dass eine Verbesserung der Detektierungsgenauigkeit bewirkt wird und die Auslenkungskomponente in die Z-Achsen-Richtung keine Störung des Detektierungsergebnisses bewirkt. Dementsprechend ist es unter der Prämisse, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor in einer derartigen Detektierungsumgebung verwendet wird, dass keine Coriolis-Kraft in die Z-Achsen-Richtung ausgeübt wird, möglich, dass ein Spannungswert V42 oder V46 von sich selbst als ein Wert verwendet wird, der Auslenkung in die X-Achsen-Richtung anzeigt, und auf ähnliche Weise kann ein Spannungswert V44 oder V48 von sich selbst als ein Wert verwendet werden, der Auslenkung in die Y-Achsen-Richtung anzeigt.
  • Während in der oben beschriebenen Ausführungsform außerdem die oberen Elektrodenschichten U41 bis U44 und die unteren Elektrodenschichten L41 bis L44 alle getrennte (Individual-)Elektrodenschichten sind, die unter einem physikalischen Gesichtspunkt unabhängige Elektrodenschichten sind, können entweder die oberen Elektroden oder die unteren Elektroden durch eine unter einem physikalischen Gesichtspunkt einzige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht ersetzt werden (im Fall dieses Beispiels eine scheibenförmige einzige eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht, die allen vier fächerförmigen Elektrodenschichten gegenüberliegt). Für die Vereinfachung der Verdrahtung zwischen den Elektrodenschichten ist die Vorsehung einer solchen eine gemeinsame Elektrode bildenden Schicht vorzuziehen.
  • Zum Abschluss wird in 49 die Seitenquerschnittsansicht eines einfachen Winkelgeschwindigkeitssensors 395 gezeigt, der ein piezoelektrisches Element vom Typ II verwendet. Dieser Sensor unterscheidet sich von dem in 46 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor 390 darin, dass anstatt des flexiblen Substrats 310 und des Gewichtskörpers 340 ein leitfähiger Gewichtskörper 345 verwendet wird, wobei die unteren Elektrodenschichten L41 bis L44 weggelassen werden. Der leitfähige Gewichtskörper 345 ist ein zylinderförmiger Block, der aus Metall usw. gemacht ist, wobei sein äußerer Umfangsteil frei sein kann, ohne in Kontakt mit dem Sensorgehäuse 350 zu sein. Mit anderen Worten, der Gewichtskörper 345 wird an dem Sensorgehäuse 350 durch das piezoelektrische Element 330, die oberen Elektrodenschichten U41 bis U44 und das fixierte Substrat 320 getragen, so dass er sich in einem hängenden Zustand befindet, wie in der Figur gezeigt. Dementsprechend kann der Gewichtskörper 345 innerhalb des Sensorgehäuses 350 mit einem gewissen Freiheitsgrad bewegt werden.
  • In dem Fall des Gewichtskörpers 340 des in 46 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors 390 könnte der Durchmesser nicht in großem Ausmaß vergrößert werden, da der Umfangsteil des flexiblen Substrats 310 an dem Sensorgehäuse 350 befestigt ist. In dem Fall des Gewichtskörpers 345 des in 49 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors 395 kann der Durchmesser jedoch vergrößert werden, so lange genug Platz zwischen dem Gewichtskörper 345 und dem Sensorgehäuse 350 erhalten bleibt, so dass der Gewichtskörper 345 nicht in Kontakt mit dem Sensorgehäuse 350 kommt, wenn eine Auslenkung veranlasst wird. Durch Vergrößerung des Gewichtskörpers ist eine Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensors möglich, da eine große Masse des Gewichtskörpers eine große Auslenkung davon bewirkt. Deshalb hat die Struktur des Winkelgeschwindigkeitssensors 395 unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Empfindlichkeit einen Vorteil.
  • Da der Gewichtskörper 345 selber aus leitfähigem Material gebildet ist, fungiert er außerdem als eine eine gemeinsame Elektrode bildende Schicht. Deshalb werden die unteren Elektrodenschichten L41 bis L44 unnötig. Folglich wird die ganze Konfiguration stark vereinfacht. Wie oben dargelegt, unterscheidet sich der in 49 gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor 395 in der Struktur etwas von der des in 46 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors 390, aber seine Arbeitsweise ist genau die gleiche.
  • Zusammenfassend wird in dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Erfindung eine auf einen Gewichtskörper ausgeübte Coriolis-Kraft unter der Bedingung detektiert, dass der Gewichtskörper zu einer kreisförmigen Bewegung innerhalb eines Sensorgehäuses veranlasst wird, und wird auf der Basis der detektierten Coriolis-Kraft durch eine Operation (Berechnung) eine Winkelgeschwindigkeit erlangt. Deshalb wird es möglich, die Winkelgeschwindigkeitskomponenten bezüglich mehrerer verschiedener Achsen mit hohem Ansprechen zu detektieren.

Claims (3)

  1. Winkelgeschwindigkeitssensor, aufweisend: (a) einen Gewichtskörper (120): (b) ein Sensorgehäuse (110) zur Aufnahme des Gewichtskörpers darin; und (c) ein Verbindungsglied (112) zur Verbindung des Gewichtskörpers mit dem Sensorgehäuse, wobei besagtes Verbindungsglied verformbar ist, so dass der Gewichtskörper mit einem vorbestimmten Freiheitsgrad bezüglich des Sensorgehäuses bewegt wird; dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ferner aufweist: (d) eine Vielzahl von Kapazitätselementen (D11–D15, E10), wobei jedes einzelne der besagten Kapazitätselemente ein Paar Elektroden aufweist, das eine an dem Gewichtskörper gebildete verschiebbare Elektrode und eine an dem Sensorgehäuse gebildete ortsfeste Elektrode umfasst; und (e) eine Betriebsschaltung mit einer ersten Funktion zur Anlegung eines Spannungssignals an bestimmte Kapazitätselemente aus besagter Vielzahl von Kapazitätselementen, so dass der Gewichtskörper durch die Erzeugung von physischer Verformung in besagtem Verbindungsglied innerhalb eines Bereiches von besagtem vorbestimmtem Freiheitsgrad eine Drehbewegung um eine Drehachse ausführt, einer zweiten Funktion zur Detektierung eines Kapazitätswertes von mindestens einem Kapazitätselement aus besagter Vielzahl von Kapazitätselementen, so dass die Coriolis-Kraft detektiert wird, die auf der Basis einer Winkelgeschwindigkeit entweder um besagte Drehachse oder um eine radiale Achse der Drehbewegung auf den Gewichtskörper aufgebracht wird, und einer dritten Funktion zur Erlangung besagter Winkelgeschwindigkeit auf der Basis der detektierten Coriolis-Kraft.
  2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1: wobei eine Ortsachse, die die Drehachse an einem Schnittpunkt schneidet, so definiert wird, dass besagte Ortsachse an besagtem Schnittpunkt in zwei Bereiche unterteilt wird, die einen positiven Bereich und einen negativen Bereich umfassen; und wobei die zweite Funktion der Betriebsschaltung durch Detektierung von Kapazitätswerten von zwei besagten Kapazitätselementen ausgeführt wird, von denen ein erstes Kapazitätselement sich an dem positiven Bereich der Ortsachse befindet und ein zweites Kapazitätselement sich an dem negativen Bereich des Ortsachse befindet.
  3. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1: wobei eine erste Ortsachse und eine zweite Ortsachse, die die Drehachse an einem Schnittpunkt schneiden, so definiert sind, dass besagte Ortsachsen jeweils an besagtem Schnittpunkt in zwei Bereiche unterteilt sind, die einen positiven Bereich und einen negativen Bereich umfassen; und wobei die zweite Funktion der Betriebsschaltung durch die Detektierung von Kapazitätswerten von vier besagten Kapazitätselemente ausgeführt wird, von denen ein erstes Kapazitätselement sich an dem positiven Bereich der ersten Ortsachse befindet, ein zweites Kapazitätselement sich an dem negativen Bereich der ersten Ortsachse befindet, ein drittes Kapazitätselement sich an dem positiven Bereich der zweiten Ortsachse befindet und ein viertes Kapazitätselement sich an dem negativen Bereich der zweiten Ortsachse befindet.
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