DE69212603T2

DE69212603T2 - Verbesserungen von oder mit bezug auf kreiselgeräte

Info

Publication number: DE69212603T2
Application number: DE69212603T
Authority: DE
Inventors: James Stonehouse Burdess
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1991-05-24
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2012-05-23
Also published as: GB2271636B; JPH06508684A; US5490420A; WO1992021000A1; DE69212603D1; EP0586437A1; GB9111316D0; EP0586437B1; GB9323789D0; GB2271636A

Description

Diese Erfindung bezieht auf Kreiselvorrichtungen, die ein Maß einer Winkelgeschwindigkeit um eine und möglicherweise weitere Achsen liefern können. Sie bezieht sich insbesondere auf Halbleitervorrichtungen mit einfachem Aufbau, die keine schwenkbar gelagerten oder anderweitig drehenden Teile enthalten, bei denen die Primärbewegung einer Masse relativ zu einer Tragstruktur eine Schwingung ist und bei denen die Relativbewegungen zwischen den verschiedenen Teilen der Vorrichtung als Antwort sowohl auf diese Primärbewegung als auch auf alle folgenden Bewegungen in erster Linie das Biegen oder die Biegung geeigneter Komponenten einschließen. Die vorliegende Erfindung ist somit insbesondere von den Vorrichtungsarten zu unterscheiden, die in den Patentschriften US-A-4 654 663 und EP-A-0 060 185 dargestellt und beschrieben sind, die beide klar lehren, daß die Träger oder ähnliche Bauglieder, die die Masse mit der Tragstruktur verbinden, einer Verdrehung ausgesetzt sein müssen, mindestens während des Betriebs der Vorrichtung und möglicherweise sogar vorher durch eine voreingestellte Verdrehung. Ein anderer Unterschied ist, obwohl man argumentieren kann, daß diese beiden früheren Publikationen Vorrichtungen lehren, bei denen die Masse und Tragstruktur eine gemeinsame Ebene einnehmen, während sie in Ruhe sind, daß dies zweifellos nicht der Fall ist, wenn die jeweiligen Vorrichtungen arbeiten. Die Lehre von US-A-4 654 663 ist, daß sich der gesamte Sensor, der sich wie eine Stimmgabel verhält, als Antwort auf eine Dreheinwirkung an seinem Griff zyklisch drehen sollte. Die Lehre von EP-A-0 060 185 ist, daß die einzige vorgenommene Messung die der Drehung der seismischen Masse, in diesem Fall eines freitragenden Trägers, um ihre lange Achse ist. Bei solchen Vorrichtungen, wie auch bei der in der Schrift GB-A-2198231 beschriebenen Vorrichtung, schließt die notwendige Relativbewegung zwischen der Masse und ihrer Tragstruktur daher ein Maß einer Neigung ein, wodurch entsprechende Oberflächen der Masse und Struktur, die koplanar sind, wenn die Vorrichtung in Ruhe ist, stattdessen in sich schneidenden Ebenen zu liegen kommen. Bei Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Relativbewegung zwischen der Masse und der Tragstruktur einfacher, wobei sie zuläßt, daß diese beiden Teile Oberflächen darbieten, die stets parallel bleiben.
Die Erfindung ergibt sich aus einer Betrachtung, daß sich insbesondere die Einfachheit des Aufbaus der Art von Halbleitervorrichtungen, auf die in dem vorherigen Absatz verwiesen wurde, selbst zur Verwendung kleiner monolithischer planarer Siliziumkomponenten eignet. Die Grundstruktur jedes Kreisels kann aus vielen Materialien hergestellt sein, einschließlich Glas und Kunststoff, sie wird aber typischerweise aus Silizium hergestellt werden, und die Detektions- und Treiberfunktionen werden unter Verwendung von Verfahren, wie z.B. der Photolithographie, einem chemischen Ätzen, einer Ionenstrahlbearbeitung und einer Dünnschichtablagerung, hinzugefügt werden. Diese Verfahren sind bereits wohlbekannt und sind gegenwärtig für die Herstellung von Miniaturkomponenten aus Materialien, wie z.B. kristallinem Silizium und Polysilizium, verfügbar.
Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert, deren Inhalte als in der Offenbarung dieser Schrift enthalten zu lesen sind, und Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezugnahme auf die beiliegenden, vereinfachten und schematischen Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:
Figur 1 eine Draufsicht eines Teils einer Ausführungsform ist;
Figur 2 ein Schnitt durch diese Ausführungsform auf der Linie II-II in Figur 1 ist;
Figur 3 eine Draufsicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform ist;
Figur 4 ein Schnitt durch diese Ausführungsform auf der Linie IV-IV in Figur 3 ist;
Figur 5 eine Draufsicht eines Teils einer dritten Ausführungsform ist, die zwei seismische Massen enthält;
Figur 6 ein Schnitt durch diese Ausführungsform auf der Linie VI-VI in Figur 5 ist;
Figur 7 eine Draufsicht eines Teils einer vierten Ausführungsform ist, die auf eine Drehung um zwei Achsen ansprechen kann;
Figur 8 ein Schnitt durch diese Ausführungsform auf der Linie VIII-VIII in Figur 7 ist;
Figur 9 eine vereinfachte Draufsicht eines Teils einer Alternative zu den Anordnungen von abstützenden Trägern ist, die in Figur 7 dargestellt sind; und
Figur 10 eine Draufsicht eines Teils einer fünften Ausführungsform ist, die eine Drehung um drei Achsen abfühlen kann.
In Figur 1 ist eine seismische Masse, womit eine im allgemeinen flache Masse gemeint ist, die auf eine Schwingung anspricht und verwendet werden kann, um diese zu detektieren, durch eine Bezugszahl 1 bezeichnet und liegt, wenn sie in Ruhe ist, mit ihrer flachen Oberfläche 1a in einer Ebene OXY. Sie ist an einer Tragstruktur 2, deren flache Oberfläche 2a ebenfalls in der Ebene OXY liegt, durch sechs parallele und iden tische Träger 3-8 angebracht. Die Träger sind transversal biegsam ausgelegt, wobei so erlaubt wird, daß sich die Masse 1 in die Richtungen OY und OZ bewegt, d.h. senkrecht zu den Trägern, die parallel zu OX liegen. Auf die oberste Oberfläche des Kreisels sind zwei identische und parallele leitende Streifen 9 und 10 aufgebracht. Der Streifen 9 erstreckt sich von einer auf die Struktur 2 aufgebrachten Anschlußstelle 11 entlang der Oberseiten der Träger 3, der Masse 1 und des Trägers 6 zu einer anderen Anschlußstelle 12 auf der Struktur 2. Der Streifen 10 verläuft von einer Anschlußstelle 13 auf der Struktur 2 entlang der Oberseiten des Trägers 5, der Masse 1 und des Trägers 8 zu einer weiteren Anschlußstelle 14 auf der Struktur 2. Wenn die Anschlußstellen 11 und 13, 12 und 14 mit einer Wechselstromquelle V parallel verbunden sind, werden identische Ströme durch die Streifen 9 und 10 fließen. Falls die in Figur 1 dargestellten Teile nun in einem Permanentmagnetfeld angeordnet werden, das entlang der Achse OZ gerichtet ist, indem sie zwischen Magnete 15 und 16 und Abdeckplatten 17 gelegt werden, wie in Figur 2 dargestellt ist, so daß die Magnetflußlinien parallel zu OZ liegen, werden zu dem Strom in den Streifen 9 und 10 proportionale Kräfte an den Streifen erzeugt werden, und diese werden bewirken, daß die Masse 1 in der Richtung OY verschoben wird. Die durch die Quelle V erzeugte Wechseispannung wird somit Wechselkräfte erzeugen, die die Masse 1 veranlassen, in der Richtung OY zu schwingen, und, falls die Frequenz des Stroms gewählt wird, so daß sie mit der Eigenfrequenz einer freien Schwingung der Masse 1 auf ihren abstützenden Trägern 3-8 übereinstimmt, können dann große Amplituden einer Schwingung entlang OY für kleine Stromwerte erzielt werden. Die Größe dieses Ansprechens kann durch viele geeignete Arten von Dehnungsmeßgeräten detektiert und gemessen werden. In dem Beispiel von Figur 1 sind sie piezoresistive Dehnungsmeßgeräte 18 und 19, die auf den Fuß des Trägers 4 aufgebracht oder daran angebracht sind. Diese Meßgeräte messen die Dehnung im Träger 4 aufgrund der Verschiebung der Masse 1 entlang der Achse OY. Falls die über die Anschlußstellen 11, 13; 12, 14 angelegte Spannung aus der Ausgabe dieser Meßgeräte abgeleitet wird, wobei eine (nicht dargestellte) Rückkopplungsschleife verwendet wird, kann dann durch Anwenden wohlbekannter Verfahren die Masse 1 veranlaßt werden, eine Dauerschwingung parallel zu OY bei ihrer Eigenfrequenz und bei einer voreingestellten Amplitude auszuführen. Diese Schwingbewegung der Masse 1 ist die Primärbewegung der Kreiselvorrichtung.
Wenn der Vorrichtung einer Winkelgeschwindigkeit um die Achse OX erteilt wird, werden Coriolis-Trägheitskräfte aufgrund der dynamischen Kopplung zwischen dieser Winkelgeschwindigkeit und der Primärbewegung erzeugt, und diese bewirken, daß die Masse 1 parallel zur Achse OZ abgelenkt wird, so daß sich die Oberfläche 1a aus der Ebene OXY bewegt, aber stets parallel zu ihr bleibt. Diese Ablenkung liefert die Ausgabe der Vorrichtung und wird durch einen Kondensator gemessen, der durch eine auf die Masse 1 aufgebrachte Elektrode 20 und eine auf eine der Abdeckplatten 17 aufgebrachte Elektrode 21 gebildet wird. Die Lücke zwischen den Elektroden 20 und 21 kann durch moderne Verfahren bis zur Größenordnung von Mikrometern mikromaschinell bearbeitet werden, und die Ablenkung der Masse 1 entlang OZ ändert diese Lücke und dadurch die Kapazität. Vorausgesetzt, daß die Ablenkung im Vergleich zu der Lücke klein ist, ist diese Änderung zu der Ablenkung selbst proportional und kann daher verwendet werden, um eine elektrische Messung der erteilten Winkelgeschwindigkeit zu liefern.
Es ist möglich, die Streifen 9 und 10 durch Dotieren der entsprechenden Bereiche der Masse 1, Struktur 2 und der Träger 3, 6; 5, 8 zu ersetzen, so daß das Material dieser Komponenten, typischerweise Silizium, lokal leitend wird.
Es sollte insbesondere erwähnt werden, daß bei Betrieb der gerade beispielhaft beschriebenen Ausführungsform die Träger 3- 8 nicht als mechanische Verbindungen dienen, durch die Kräfte von der festen Struktur 2 auf die Masse 1 übertragen werden, um so diese Masse zu veranlassen, ihre Primärbewegung auszuführen. Stattdessen biegen sich die Träger nur als Antwort auf diese Primärbewegung, die durch die berührungsfreie und elektromagnetische Wechselwirkung der an der Masse bzw. an der Tragstruktur befestigten Komponenten verursacht wird.
In der Ausführungsform der Figuren 3 und 4 verbinden nur vier Träger 25-28 die Masse 1 mit der Tragstruktur 2. Elektroden 29 und 30 bilden ein elektrostatisches Stellglied, und durch Anlegen einer Wechselspannung von einer Quelle V über diese wird die Masse 1 veranlaßt, die Primärbewegung der Vorrichtung durch Schwingen in der Richtung OZ auszuführen. In der in Bezug auf die Ausführungsform der Figuren 1 und 2 beschriebenen Weise kann diese Schwingung durch kapazitive Wirkung mittels zusätzlicher Elektrodenpaare 31, 32 und 33, 34, die auf die Oberflächen der Masse 1 und der Tragstruktur 2 aufgebracht sind, detektiert und gesteuert werden. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit um die Achse OX erteilt wird, bewirken Corioliseffekte, daß die Masse 1 in der Richtung von OY schwingt. Die Amplitude dieser Schwingung ist ein Maß für die erteilte Geschwindigkeit und wird durch Paare piezoresistiver Dehnungsmeßgeräte 36 und 37 detektiert, die auf die Träger 25 und 26 aufgebracht sind. Diese Meßgeräte sprechen auf die Biegedehnungen in den Trägern 25 und 26 an, die durch die Verschiebung der Masse 1 entlang OY verursacht werden. Wieder bleiben die Ebenen der flachen Oberflächen la, 2a stets komzident oder parallel.
Ein alternatives Verfahren, um das Ansprechen auf eine Eingangsgeschwindigkeit zu messen, ist ebenfalls in Figur 4 dargestellt. Eine Elektrode 38 ist an der Bodenfläche der Masse 1 angebracht und ist positioniert, so daß sie um die Längsachse OX symmetrisch plaziert ist. Diese Elektrode ist mit ihrer Umgebung elektrisch nicht gekoppelt und kann daher ihr eigenes elektrisches Potential aufnehmen. Drei unabhängige Elektroden 39, 40 und 41 sind auf die Tragstruktur aufgebracht und direkt unter der Elektrode 38 positioniert. Diese sind symmetrisch um die Zentralachse OX angeordnet und bilden ein Differenzkapazitäts-Netzwerk mit der Elektrode 38. Wenn die Masse 1 entlang OY infolge einer Eingangs-Winkelgeschwindigkeit um die Achse OX verschoben wird, registriert das Netzwerk eine Änderung in der Kapazität, und diese kann durch wohlbekannte Mittel verarbeitet werden, um ein Maß der Winkelgeschwindigkeit zu liefern. Kraf twirkungen an der Tragstruktur als Antwort auf die Primärbewegung der seismischen Masse können verringert werden, falls die Vorrichtung ausgelegt ist, so daß diese Masse die Form eines abgeglichenen Oszillators einnimmt. Figur 5 zeigt eine mögliche Anordnung. Identische Massen 50 und 51, die jeweils der Masse 1 der Figuren 1 bis 4 ähnlich sind, sind mit einer Tragstruktur 2 durch Träger 52-57 bzw. 58-63 verbunden. Diese Träger sind entlang einer Achse OX transversal biegsam, und dies gestattet den Massen eine Bewegungsfreiheit entlang der Achse OY.
Die Verbindung zwischen diesen Trägern und der Tragstruktur 2 wird durch einen Rahmen erreicht, der aus Endplatten 64 und 65 - die so steif wie möglich ausgelegt sind - und weiteren Trägern 66-69 besteht, wobei diese Träger einen dünnen Quer schnitt aufweisen, so daß sie beim Biegen entlang der Achse OY biegsam sind. Diese Biegsamkeit erlaubt, daß sich die Anordnung der Massen 50, 51 und ihrer Abstützverbindung der Träger um OX dreht.
Identische elektrische Ströme werden durch leitende Streifen 70 und 71 geleitet, die auf die Trägersysteme 52-57 und 58-63 aufgebracht sind. Diese Streifen sind miteinander verbunden, so daß der Strom in 70 in der entgegengesetzten Richtung zu dem Strom in 71 fließt.
Wenn die so beschriebene Anordnung in einem Magnetfeld plaziert wird, das eine Richtung parallel zur Achse OZ aufweist und durch in Figur 6 dargestellte Magnete 72, 73 aufgebaut wird, rufen dann sich periodisch ändernde Ströme Kräfte hervor, die die Massen 50 und 51 veranlassen, entlang der Achse OY mit gleicher Amplitude in Gegenphase zu schwingen. Diese Bewegung, die die Primärbewegung des Kreisels bildet, bewirkt, daß keine resultierende Kraft auf die Tragstruktur 2 übertragen wird, und man sagt, der Kreisel sei dynamisch abgeglichen Die Primärbewegung wird durch piezoresistive Meßgeräte 74, 75 gemessen und gesteuert, die auf die Mitteiträger 53 und 59 aufgebracht sind. Eine im wesentlichen zu der für Figur 1 beschriebenen ähnliche Meßgerätanordnung kann verwendet werden. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit um eine Achse OX erteilt wird, werden Coriolis-Trägheitskräfte auf die Massen 50 und 51 angewandt, und eine Sekundärbewegung entlang OZ findet statt. Weil diese Primärbewegungen der beiden Massen in Gegenphase stattfinden, folgt, daß die Sekundärbewegung durch die Kondensatoren detektiert werden kann, die zwischen den Massen 50 und 51 und der Tragstruktur 2 durch Elektroden 76 und 77 auf den Massen und entsprechende Elektroden 78 und 79 gebildet werden, die auf einer Abdeckplatte 80 angebracht sind, was in Figur 6 dargestellt ist. Während die Massen entlang OZ verschoben werden, ändert sich die Kapazität dieser Kondensatoren, wie in Figur 1, und diese Änderung wird gemessen und verwendet, um ein Maß der erteilten Geschwindigkeit zu erzeugen.
Ein alternatives Meßverfahren ist, piezoresistive Meßgeräte 82 und 83 auf die dünnen Träger 66 und 67 aufzubringen. Die auf die Massen 50 und 51 angewandten Coriolis-Trägheitskräfte werden bewirken, daß diese Träger und die entsprechenden Träger 69 und 68 an dem anderen Ende der Vorrichtung beim Biegen abgelenkt werden. Dieses Biegen kann durch die Dehnungsmeßgeräte gemessen und verwendet werden, um ein Maß der erteilten Geschwindigkeit zu erzeugen.
Durch eine geeignete Auslegung der seismischen Massen und ihrer abstützenden Träger ist es möglich, dafür zu sorgen, daß die Eigenfreouenz ihrer Primärbewegung an die Eigenfrequenz der ganzen Anordnung angepaßt ist, die in der der Sekundärbewegung entsprechenden Mode schwingt. Die Empfindlichkeit des Kreisels kann gesteigert werden, indem man diese Frequenzen übereinstimmen läßt.
Ein Zweiachsen-Geschwindigkeits-Kreisel ist in Figur 7 und 8 dargestellt. Hier ist die Masse 1 mit dem Tragrahmen 2 durch vier Sätze von 'T'-förmigen Biegefedern 85-88 verbunden. Die Federn sind an der Masse bei den Mittelpunkten ihrer Seiten angebracht und sind positioniert, so daß ihre jeweiligen Symmetrieachsen mit entweder der OX- oder OY-Achse des Kreisels ausgerichtet sind, d.h. die Federn bilden eine 90-Grad-Drehsymmetrie um OZ. Die beiden Enden des Kopfes von jeder 'T'- förmigen Feder sind mit dem Tragrahmen 2 fest verbunden.
Eine Biegung des Stammes der Federn 86 und 88 in der Richtung OY gestattet, daß die seismische Masse entlang OY verschoben wird, und eine Biegung der Köpfe der gleichen Federn gestattet eine entsprechende Verschiebung entlang OX. Weil die Breite und Tiefe jedes Trägerquerschnitts ausgelegt sind, um ähnliche Proportionen aufzuweisen, kann ferner die 'T'-Anordnung durch eine Biegung eine Verschiebung der Masse 1 entlang OZ zulassen. Die vier 'T'-Stücke bilden daher ein vollständiges elastisches Aufhängungssystem für die Masse und gestatten, daß die Mitte der Masse 1 in eine beliebige der drei Richtungen OX, OY und OZ unabhängig verschoben wird, aber so, daß die Ebenen der flachen Oberflächen ja, 2a der Masse und Halterung stets parallel sind. E
ine Elektrode 90 ist auf die obere Oberfläche der Masse 1 aufgebracht und wird durch eine Leitbahn 91 auf Erdpotential gehalten. Diese Elektrode wird gleichzeitig verwendet, um die Primärbewegung der Masse anzuregen und zu messen, die eingerichtet ist, um in der Richtung von OZ stattzufinden. Anregungs- und Detektionselektroden 93 und 94 befinden sich unmittelbar oberhalb der Elektrode 90 und sind mit dem Tragrahmen 2 durch eine obere Platte 92 verbunden. Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektrode 93 kann die Masse durch elektrostatische Wirkung gezwungen werden, entlang OZ zu schwingen. Ihre Verschiebung entlang OZ kann detektiert und gesteuert werden, indem die Änderung in der Kapazität des durch die Elektroden 90 und 94 gebildeten Kondensators gemessen wird. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit um, z.B., die Achse OX erteilt wird, wird dann bewirkt, daß die Masse in der Achsenrichtung OY schwingt. Diese Bewegung ist proportional zu der erteilten Geschwindigkeit und bewirkt ein Biegen der Stämme der Federn 86, 88 in der Richtung OY. Dieses Biegen wird durch piezoresistive Dehnungsmeßgeräte 95 detektiert, die auf die Feder 88 aufgebracht sind. Diese Meßgeräte sind elektrisch verbunden, so daß ihre Ausgabe gegen Verschiebungen der Masse 1 entlang OX und OZ unempfindlich ist. Für eine erteite Geschwin digkeit um die Achse OY findet eine entsprechende Biegeverschiebung in den Stämmen der Federn 85 und 87 statt, und diese wird durch die Ausgabe detektiert, die durch die piezoresistiven Meßgeräte 96 auf der Feder 87 erzeugt wird.
Die Form der Biegefeder, die durch die Stämme und Köpfe der Gegenstände 85-88 definiert ist, ist nicht eindeutig. Der Hauptzweck der Feder besteht darin, zuzulassen, daß der Verbindungspunkt zwischen der Feder und der seismischen Masse drei Freiheitsgrade hat, d.h. zu einer unabhängigen Bewegung entlang der Achse OX, OY und OZ in der Lage ist. In der in Figur 9 dargestellten alternativen Montierung wird die Masse 1 wieder von der Struktur 2 durch vier Sätze von Biegefedern, wie in Figur 7, getragen, aber die Federn haben eine andere Gestalt. Jeder der vier Sätze umfaßt einen Ring 97, von dem sich drei Arme radial nach außen erstrecken. Einer dieser Arme, 98, ver bindet den Ring 97 mit der Masse. Die anderen beiden Arme 99 sind bezüglich des Armes 98 symmetrisch angeordnet und verbinden den Ring mit der Struktur 2. Insgesamt 16 piezoresistive Dehnungsmeßgeräte 89, wobei vier solche Meßgeräte in geeigneter Geometrie und elektrischer Schaltung an jedem Ring angebracht sind, können zwischen ihnen auf Verschiebungen der Masse 1 entlang sowohl OX als auch OZ ansprechen.
Es ist möglich, die vorhergehenden Entwürfe zu kombinieren, um Verbundanordnungen zu erzeugen, die als ein Dreiachsen- Sensor arbeiten werden, wie in Figur 10 dargestellt ist. Vier identische seismische Massen 100-103 sind mit einer Trag struktur 104 durch ein dargestelltes Trägernetzwerk verbunden und sind so positioniert, daß die Anordnung eine 90º-Drehsymmetrie um die senkrechte, OZ-, Achse aufweist. Die Struktur 104 wird wiederum von einer weiteren und festen Struktur 112 durch 'T'-förmige biegsame Federn 113 getragen, ähnlich den Elementen 85-88 in Figur 7. Die Massen und ihre abstützenden Träger sind alle in ihrer Form der in Figur 1 dargestellten Anordnung ähnlich. Die inneren und äußeren Träger jeder Masse tragen leitende Streifen 105-107. Die Streifen 105 und 106 sind parallel mit einer Wechselspannungsquelle V&sub1; verbunden, und der Streifen 107 wird auf Erdpotential gehalten. Wie in Figur 1 ist die ganze Anordnung in einem Magnetfeld angeordnet, in dem die Magnetflußlinien senkrecht zu der Ebene des Sensors verlaufen. Ein in den Streifen 105 und 106 fließender Wechselstrom wird jede Masse veranlassen, in der OXY-Ebene in einer Richtung zu schwingen, die senkrecht zu dem Magnetfeld und dem Stromfluß ist. Die Schwingungsamplitude jeder Masse wird durch piezoresistive Dehnungsmeßgeräte gemessen - wie z.B. 108-109 - die auf dem "Mittel"-Träger ihres abstützenden Trägernetzwerks aufgebracht sind. Wie in Figur 1 messen diese Meßgeräte die Dehnung in dem Träger und sind vorzugsweise nahe dem Fußbereich jedes Mittelträgers positioniert. Indem man die Treiberspannung proportional zu diesen Dehnungsmeßgerätsignalen macht, kann man die Massen schwingen lassen, so daß die 90º-Drehsymmetrie der Anordnung während der Bewegung stets beibehalten wird. Für diesen Fall bewegen sich die Massen radial von der Mitte der Vorrichtung in Phase, und die Anordnung arbeitet als ein abgeglichener Oszillator.
Winkelgeschwindigkeiten um die Achsen OX und OY werden durch Messen der Verschiebung der Massen 100-103 entlang der Achse OZ gemessen. Zum Beispiel betrachte man eine Winkelgeschwindigkeit um OY. Diese Geschwindigkeit wird gemessen, indem die Verschiebung der Massen 100 und 102 entlang OZ bestimmt wird. Ein Paar Kondensatoren, die durch geerdete Elektroden 110 und 111 auf den beiden Massen und Elektroden 114 und 115 auf der festen Halterung 112 gebildet werden, führen diese Messung durch. Bei einer Verschiebung der Massen 100 und 102 entlang OZ ändern sich der Abstand zwischen den Elektroden 110 und 114 und der Abstand zwischen den Elektroden 111 und 115, und die Kapazitätsänderung ist ein Maß der erteilten Geschwindigkeit. Falls die Lücke zwischen 110 und 114 zunimmt, wird dann die Lücke zwischen 111 und 115 abnehmen, und die Abfühlelektronik muß ausgelegt sein, um dies zu berücksichtigen.
Eine ähnliche Anordnung von Elektroden wird bei den Massen 101 und 103 verwendet, um Winkelgeschwindigkeiten um OX zu detektieren.
Für eine Winkelgeschwindigkeit um die Achse OZ wird die Bewegung der Tragstruktur 104 gemessen. Weil sich die Massen 100-103 in Phase bewegen und gleiche Primärverschiebungen aufweisen, bewirkt eine Winkelgeschwindigkeit um OZ, daß ein oszillatorisches Trägheitsdrehmoment um OZ proportional zur Winkelgeschwindigkeit erzeugt wird. Dieses Drehmoment wird über die Massen auf die Struktur 104 angewandt. Weil die Struktur 104 an der weiteren und festen Struktur 112 durch eine Anzahl identischer, elastischer Einheiten 113 angebracht ist, wird dieses Drehmoment die Struktur 104 veranlassen, sich um OZ zu drehen. Diese Drehung wird durch piezoresistive Dehnungsmeßgeräte 116 gemessen, die auf die Stämme der Einheiten 113 aufgebracht sind, und das resultierende Dehnungssignal wird als ein Maß der erteilten Geschwindigkeit um OZ genommen. Wie bei anderen Ausführungsformen schon beschrieben, bleiben die Ebenen der flachen Oberflächen der Massen 100-103, der Tragstruktur 104 und der festen und weiteren Struktur 112 stets parallel. Es sollte auch besonders erwähnt werden, daß eine Konsequenz einer solchen Relativbewegung der Massen und der Trag- und weiteren Strukturen ist, daß die verschiedenen Verbindungsträger (z.B. die Elemente 3-8, 25-28, 52-63, 85-88, 98-99 und 113), die in den beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, keiner wesentlichen Verdrehung ausgesetzt sind, sondern im wesentlichen nur einem Durchbiegen oder einer Biegung.
Bei einer Anordnung, wie sie in Figur 10 dargestellt ist, ist es nicht möglich, die leitenden Streifen 105-107, die Elektroden 110 und 111 und die piezoresistiven Meßgeräte 108, 109 und 116 auf eine einzige Oberfläche aufzubringen, weil die Verbindungsbahnen physikalisch überlappen müssen. Es ist daher notwendig, diese Verbindungen auf Isolierschichten aufzubauen, die auf die obere Oberfläche der Einheit sukzessiv aufgebracht werden. Zum Beispiel nehme man an, daß die Bahnen 105 und 106 zuerst aufgebracht werden. Um eine Isolierung zu schaffen, wird dann eine Isolierschicht auf die ganze obere Oberfläche aufgebracht. Auf diese Schicht werden die geerdete Bahn 107 und die geerdeten Elektrodensätze, wie z.B. 110 und 111, aufgebracht. Dann wird eine zweite Isolierschicht aufgebracht. Die piezoresistiven Meßgeräte, wie z.B. 108 und 109, könnten dann aufgebracht und durch die Ablagerung einer dritten Isolierschicht geschützt werden. Die piezoresistiven Meßgeräte 116 könnten dann auf diese letzte Schicht aufgebracht werden.

Claims

1. Kreiselvorrichtung mit einer Tragstruktur (2), die eine erste flache Oberfläche aufweist, und mindestens einer Masse (1), die eine zweite flache Oberfläche aufweist, wobei jede solche Masse (1) von der Struktur (2) umgeben ist und an der Struktur (2) durch mehrere Träger (3-8) angebracht ist, die in einer gemeinsamen Ebene liegen, wenn die Vorrichtung in Ruhe ist, worin es Mittel (V, 15, 16) gibt, um elektromotorische Kräfte zwischen jeder solchen Masse (1) und der Struktur (2) zu erzeugen, um dadurch im Gebrauch jede solche Masse (1) zu einer Primär-Schwingungsbewegung anzuregen, bei der die Struktur (2), die Masse (1) und die Träger (3-8) so angeordnet sind, daß die Träger veranlaßt werden, sich zu biegen, um zu gestatten&sub1; daß die Masse (1) eine beschränkte Bewegung als Antwort auf eine auf die Vorrichtung angewandte Winkelgeschwindigkeit ausführt, und worin ein Maß einer Winkelgeschwindigkeit aus einem Abfühlen einer Relativbewegung zwischen der Masse (1) und der Tragstruktur (2) erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (2), die Masse (1) und die Träger (3-8) so angeordnet sind, daß im Gebrauch die ersten und zweiten Oberflächen stets parallel zu der gemeinsamen Ebene bleiben.

2. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Maß der Winkelgeschwindigkeit durch Abfühlen der Biegung von mindestens einem der Verbindungsträger erhalten wird.

3. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Relativbewegung der Masse und der Tragstruktur durch zusammenarbeitende Sensoren (20, 21) abgefühlt wird, die an der Masse bzw. der Struktur angebracht sind.

4. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Struktur mindestens ein Paar Massen (51, 52) trägt, die so angeordnet sind, daß, wenn die Massen zu ihrer Primärschwingung angeregt werden, die dadurch erzeugten Kräfte im wesentlichen gleich und einander entgegengesetzt sind, wodurch die durch die Tragstruktur erfahrene resultierende Kraft im wesentlich Null ist.

5. Kreiselaufbau nach Anspruch 1, bei dem die Anordnung von Trägern, durch die die Masse von der Struktur getragen wird, die gleiche Geometrie aufweist, wenn man sie bezüglich irgendeiner eines Paares orthogonaler Achsen (OX; OY) betrachtet, die in der gemeinsamen Achse liegen, und die Vorrichtung Maße von Winkelgeschwindigkeiten um zwei Achsen liefern kann.

6. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Tragstruktur (104) selbst von einer weiteren Struktur (112) auf gleiche Weise getragen wird, wie eine Masse von der Tragstruktur getragen wird, und die Vorrichtung Maße von Winkelgeschwindig keiten um drei Achsen liefern kann, wobei das sich auf die dritte Achse beziehende Maß aus der Relativbewegung der Tragstruktur und der weiteren Struktur abgeleitet wird.

7. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektromotorischen Kräfte elektromagnetisch erzeugt werden.

8. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 7, bei der sich die elektromagnetischen Kräfte aus der berührungsfreien Wechselwirkung von Komponenten ergeben, die an der Masse bzw. an der Tragstruktur befestigt sind.

9. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die weitere Struktur eine dritte flache Oberfläche darbietet und bei der die Relativbewegung zwischen der Tragstruktur und weiteren Strukturen derart ist, daß die drei dargebotenen Oberflächen stets parallel bleiben.