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Die
gegenwärtige
Erfindung bezieht sich auf ein Verdahtungselement für einen
Winkelgeschwindigkeitssensor.
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Ein
auf Schwingung basierender Winkelgeschwindigkeitssensor weist typischerweise
ein Erfassungselement auf, das ein Schwingungselement umfasst und
das auf der Grundlage einer Schwingung des Schwingungselements eine
Winkelgeschwindigkeit erfasst. Das Erfassungselement ist durch ein Verdrahtungselement
an einer Basis befestigt, wie z. B. einer Leiterplatte oder einem
Gehäuse.
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Das
Schwingungselement ist mit einer Kraft derart beaufschlagt, dass
es normalerweise in einer bestimmten Richtung schwingt. Wenn das
Schwingungselement gedreht wird, ist es Corioliskräften unterworfen.
Die Corioliskräfte
bewirken in einer anderen Richtung eine zweite Schwingung, die sich
von der ursprünglichen
Schwingung unterscheidet. Durch Erfassen der zweiten Schwingung
kann die Winkelgeschwindigkeit erfasst werden. Die zwei Schwingungen
(d. h. die ursprüngliche
und die zweite Schwingung) haben im Allgemeinen eine hohe Frequenz
von mehreren tausend Hertz (Hz).
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Der
Winkelgeschwindigkeitssensor hat einen Schwingungsisolator, der
eine strukturelle Resonanzfrequenz des Erfassungselements verringert, um
zu verhindern, dass die strukturelle Resonanzfrequenz gleich der
zweiten Schwingungsfrequenz ist. Beispielsweise wird die strukturelle
Resonanzfrequenz auf einen Wert verringert, der in einem Bereich von
zehn bis mehreren hundert Hz liegt.
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In
einem auf Schwingung basierenden Winkelgeschwindigkeitssensor, der
in der
US 6,880,399 B1 offenbart
ist, wird als Verdrahtungselement ein Metallleitungsdraht verwendet,
der wie eine Feder geformt ist. Aufgrund der federähnlichen
Form wirkt der Leitungsdraht als Schwingungsisolator. In diesem
Fall muss der Leitungsdraht eine ausreichende Flexibilität aufweisen,
um die strukturelle Resonanzfrequenz zu verringern. Die Flexibilität kann dadurch erhöht werden,
dass der Leitungsdraht länger
gemacht wird. Ein Längermachen
des Leitungsdrahtes kann jedoch den Sensor vergrößern und die mechanische Festigkeit
des Leitungsdrahtes verringern. Daher kann der Sensor groß sein und
eine geringe Zuverlässigkeit
aufweisen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verdrahtunselement für einen
Winkelgeschwindigkeitssensor bereitzustellen, bei den des Verdrahtungselement
als Schwingungsisolator wirkt und nicht als Leitungsdraht ausgebildet
ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale von Anspruch 1. Weiterhin vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Ein
Winkelgeschwindigkeitssensor weist ein Basiselement, wie z. B. eine
Leiterplatte, ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement mit einem
Schwingungselement, ein Verdrahtungselement mit einem flexiblen,
elektrisch isolierenden Streifenabschnitt und mit einem Elektrodrahtabschnitt
auf. Das Verdrahtungselement weist Endabschnitte, die an dem Basiselement
angebracht sind, und einen mittleren Abschnitt, der zwischen den
Endabschnitten angeordnet ist, auf. Der mittlere Abschnitt ist von dem
Basiselement getrennt, und das Erfassungselement ist an dem mittleren
Abschnitt angebracht. Aufgrund einer Elastizität des Verdrahtungselementes kann
daher das Erfassungselement von einer äußeren Schwingung isoliert werden.
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Weil
das Verdrahtungselement eine hohe Flexibilität aufweist, kann es im Vergleich
zu einem Leitungsdraht eine geringe Länge haben. Aufgrund der geringen
Länge kann
ein Brechen des Verdrahtungselementes verhindert werden. Der Winkelgeschwindigkeitssensor
kann daher eine geringe Größe und eine
hohe Zuverlässigkeit
haben.
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Merkmale
und Vorteile der gegenwärtigen Erfindung
sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung besser ersichtlich,
die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gemacht worden ist.
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Es
zeigen:
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1A eine
Querschnittsansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors mit einem
Verdrahtungselement gemäß einer
Ausführungsform
der gegenwärtigen
Erfindung; und 1B eine Draufsicht auf den Winkelgeschwindigkeitssensor
von 1A;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors mit einem
Verdrahtungselement gemäß einer
Modifikation der Ausführungsform;
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3 eine
Querschnittsansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors mit einem
Verdrahtungselement gemäß einer
anderen Modifikation der Ausführungsform;
und
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4 eine
Draufsicht auf ein Verdrahtungselement eines Winkelgeschwindigkeitssensors
gemäß einer
weiteren Modifikation der Ausführungsform.
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Es
wird auf die 1A und 1B Bezug genommen.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 100 weist eine Schaltungsplatine 10,
ein Erfassungselement 20 zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit (einer
Geschwindigkeit bzw. einer Rate) und ein Verdrahtungselement 30 auf.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 kann beispielsweise
an einem Fahrzeug angebracht sein, um eine Winkelgeschwindigkeit
des Fahrzeugs zu erfassen.
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Das
Erfassungselement 20 ist mit der Schaltungsplatine 10 mechanisch
und elektrisch verbinden und wird durch das Verdrahtungselement 30 oberhalb
einer Fläche 11 der
Schaltungsplatine 10 gehalten.
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Die
Schaltungsplatine 10 wirkt als Basisplatte. Als Alternative
kann als Basisplatte eine Leiterplatte aus Keramik, ein Gehäuse oder
dergleichen verwendet werden.
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Das
Erfassungselement 20 ist ein Halbleiterchipprodukt, das
ein Schwingungselement 21 aufweist. Das Schwingungselement 21 weist
kammförmige
Elektroden auf, die durch elastische Träger gehalten werden. Das Schwingungselement 21 kann sich
daher bewegen, wenn das Erfassungselement 20 mit der Winkelgeschwindigkeit
beaufschlagt wird. Als Alternative können als Erfassungselement 20 verschiedene
Typen von Erfassungselementen verwendet werden, wie z. B. eine piezoelektrische Stimmgabel.
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In 1A schwingt
das Schwingungselement 21 normalerweise in einer Richtung
der x-Achse. Wenn das Erfassungselement 20 um die z-Achse herum
mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω beaufschlagt
wird, wird das Schwingungselement 21 Corioliskräften unterworfen.
Die Corioliskräfte
bewirken in Richtung der y-Achse
orthogonal zu der x-Achse eine Sekundärschwingung. Die Sekundärschwingung
wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, und die Winkelgeschwindigkeit Ω wird durch
Erfassen des elektrischen Signals erfasst.
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Das
Verdrahtungselement 30 kann beispielsweise eine flexible
Leiterplatte sein, und sie weist flexible, elektrisch isolierende
Streifenabschnitte 31 und Elektrodrahtabschnitte 32 auf,
die an wenigstens einer der ersten oder zweiten Flächen 37, 39 des
Streifenabschnittes 31 angeordnet sind. Der Streifenabschnitt 31 ist beispielsweise
auf einem Polyimidharz oder aus einem Polyesterharz, das elektrisch
isolierende Eigenschaften hat, hergestellt, und die Elektrodrahtabschnitte 32 sind
aus einer Metallfolie, wie z. B. einer Kupferfolie, hergestellt.
Der Streifenabschnitt 31 hat eine dünne, rechtwinklige Form wie
ein Band bzw. Streifen, und die Elektrodrahtabschnitte 32 sind entlang
der Länge
des Streifenabschnittes 31 in einem Streifenmuster angeordnet.
Weil der Streifenabschnitt 31 aus Harz hergestellt ist,
hat das Verdrahtungselement 30 im Vergleich zu einem Verdrahtungselement,
das aus Metall hergestellt ist, eine hohe Flexibilität.
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Das
Verdrahtungselement 30 hat entlang seiner Länge zwei
Endabschnitte 33. Die Endabschnitte 33 sind durch
leitfähige
Verbindungselemente 40, wie z. B. Lötmetall oder ein leitfähiger Klebstoff,
an der Fläche 11 der
Schaltungsplatine 10 angebracht. Die Elektrodrahtabschnitte 32 des
Verdrahtungselementes 30 sind durch die Verbindungselemente 40 mit
einem (nicht dargestellten) leitfähigen Teil der Schaltungsplatine 10 verbunden.
Die mechanischen Verbindungen zwischen den Endabschnitten 33 und
der Schaltungsplatine 10 sind durch Verstärkungen 50,
wie z. B. einem Klebstoff oder einem Gießharz, verstärkt. Somit
ist das Verdrahtungselement 30 mit der Schaltungsplatine 10 mechanisch
und elektrisch verbunden. Als Alternative können die Schaltungsplatine 10 und
das Verdrahtungselement 30 miteinander durch Schweissen, durch
Klammern oder dergleichen mechanisch oder elektrisch verbunden sein.
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Wie
in 1A dargestellt ist, erstrecken sich von der Fläche 11 Stoppeinrichtungen
bzw. Anschlageinrichtungen 60 nach oben, um die Endabschnitte 33 zu
stoppen bzw. abzuriegeln. Somit verhindern die Stoppeinrichtungen 60 eine
Fehlausrichtung der Endabschnitte 33, d. h. sie halten
das Verdrahtungselement 30 an der Fläche 11 in korrekter
Lage bzw. Position. Die Stoppeinrichtungen 60 sind mit
der Schaltungsplatine 10 als Einheit ausgeformt oder mit
dieser verbunden. Als Alternative können die Stoppeinrichtungen 60 in
der Schaltungsplatine 10 ausgespart sein. In diesem Fall
sind die Endabschnitte 33 in die Stoppeinrichtungen 60 eingefügt. Somit
halten die Stoppeinrichtungen 60 das Verdrahtungselement 30 an
der Fläche 11 korrekt
ausgerichtet.
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Das
Verdrahtungselement 30 weist zwischen den Endabschnitten 33 einen
mittleren Abschnitt 35 auf. Wie in 1A dargestellt
ist, krümmt
sich das Verdrahtungselement 30 in dem mittleren Abschnitt 35 nach
oben derart, dass der mittlere Abschnitt 35 von der Schaltungsplatine 10 getrennt
ist. Somit weist das Verdrahtungselement 30 an der Schaltungsplatine 10 eine
kuppelähnliche
Form auf.
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Das
Erfassungselement 20 ist an der ersten Fläche 37 des
mittleren Abschnitts 35 angebracht. Daher ist das Verdrahtungselement 30 zwischen dem
Erfassungselement 20 und der Schaltungsplatine 10 angeordnet.
Das Erfassungselement 20 ist mit den Elektrodrahtabschnitten 32 des
Verdrahtungselementes 30 durch leitfähige Verbindungselemente 70,
wie z. B. das Lötmetall
oder den leitfähigen
Kleber, mechanisch und elektrisch verbunden. Das Erfassungselement 20 überträgt und empfängt elektrische
Signale zu und von einer äußeren Vorrichtung durch
das Verdrahtungselement 30 und durch die Schaltungsplatine 10.
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Aufgrund
der Elastizität
des Streifenabschnittes 31 kann das Verdrahtungselement 30 in Richtung
der z-Achse von 1A, d. h. in der Richtung orthogonal
zu der Fläche 11 der
Schaltungsplatine 10, elastisch verformt werden. Das Verdrahtungselement 30 kann
ebenfalls in Richtung der y-Achse von 1A, d.
h. in der Richtung der Sekundärschwingung
des Schwingungselementes 21, elastisch verformt werden.
Somit kann das Verdrahtungselement 30 unerwünschte äußere Schwingungen
verringern, die in Richtung der y-Achse und der z-Achse an das Erfassungselement 20 angelegt
werden.
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Wie
oben beschrieben krümmt
sich das Verdrahtungselement 30 in dem mittleren Abschnitt 35 derart
nach oben, dass der mittlere Abschnitt 35 von der Schaltungsplatine 10 getrennt
ist. Somit kann das Verdrahtungselement 30 in Richtung
der z-Achse leicht elastisch verformt werden. Das Erfassungselement 20 ist
an dem mittleren Abschnitt 35 angebracht. Diese Verfahrensweise
verringert effektiv die äußeren Schwingungen,
mit denen das Erfassungselement 20 in Richtung der z-Achse,
d. h. in der Richtung orthogonal zu den ursprünglichen und sekundären Schwingungsrichtungen
des Schwingungselementes 21, beaufschlagt wird.
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Weil
das Verdrahtungselement 30 in Richtung der x-Achse, d.
h. in der ursprünglichen
Schwingungsrichtung, eine Breite aufweist, ist es weniger wahrscheinlich,
dass das Verdrahtungselement 30 in Richtung der x-Achse
verformt wird. Daher kann ein Verlust der ursprünglichen Schwingung verhindert werden.
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In
dem Winkelgeschwindigkeitssensor 100 bilden eine Federkonstante
des Verdrahtungselements 30 und eine Masse von sowohl dem
Erfassungselement 20 als auch dem Verdrahtungselement 30 ein
Feder-Masse-System mit einer bestimmten strukturellen Resonanzfrequenz.
Die Federkonstante des Verdrahtungselementes 30 ist derart
eingestellt, dass die strukturelle Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems
niedriger ist (z. B. zehn bis mehrere hundert Hz) als jede der Resonanzfrequenzen
der ursprünglichen
und sekundären
Schwingungen des Schwingungselementes 21 (z. B. mehrere tausend
Hz).
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Wie
oben beschrieben beinhaltet das Verdrahtungselement 30 den
Streifenabschnitt 31, der Eigenschaften wie eine Flexibilität und eine
elektrische Isolation aufweist. Die Endabschnitte 33 des Verdrahtungselementes 30 sind
an der Schaltungsplatine 10 angebracht, und der mittlere
Abschnitt 35 zwischen den Endabschnitten 33 ist
von der Schaltungsplatine 10 getrennt. Das Erfassungselement 20 ist
an dem mittleren Abschnitt 35 angebracht. Aufgrund der
Elastizität
des Verdrahtungselementes 30 kann das Erfassungselement 20 von
den ungewünschten äußeren Schwingungen
isoliert sein.
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Weil
der Streifenabschnitt 31 aus Harz hergestellt ist, kann
das Verdrahtungselement 30 im Vergleich zu einem aus Metall
hergestellten Leitungsdraht eine große Flexibilität haben.
Daher kann das Verdrahtungselement 30 eine geringe Federkonstante
aufweisen, so dass es im Vergleich zu dem Leitungsdraht eine geringe
Länge haben
kann.
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Weil
das Verdrahtungselement 30 die geringe Länge hat,
kann die Größe des Winkelgeschwindigkeitsensors 100 verringert
werden. Aufgrund der geringen Länge
kann ferner ein Brechen des Verdrahtungselementes 30 verhindert
werden. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 kann daher
eine geringe Größe und eine
hohe Zuverlässigkeit
aufweisen.
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Die
Verstärkungen 50 und
die Stoppeinrichtungen 60 sind optional. Dadurch, dass
die Verstärkungen 50 und
die Stoppeinrichtungen 60 verwendet werden, kann das Verdrahtungselement 30 an
der Schaltungsplatine 10 sicher befestigt werden, und es wirkt
effektiver als Schwingungsisolator.
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In
dem Winkelgeschwindigkeitssensor 100 bilden die Federkonstante
des Verdrahtungselementes 30 und die Masse von sowohl dem
Erfassungselement 20 als auch dem Verdrahtungselement 30 ein Feder-Masse-System,
das eine strukturelle Resonanzfrequenz aufweist, die von einem Abstand
zwischen den Endabschnitten 33 abhängt. Die strukturelle Resonanzfrequenz
kann daher dadurch eingestellt werden, dass der Abstand zwischen
den Endabschnitten 33 eingestellt wird.
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Wenn
beispielsweise der Abstand verringert ist, ist das Verdrahtungselement 30 in
dem mittleren Abschnitt 35 stärker gekrümmt, und es kann in Richtung
der z-Achse leichter elastisch verformt werden. Mit anderen Worten
ein Verringern des Abstandes zwischen den Endabschnitten 33 verringert
die strukturelle Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems. Somit
kann eine strukturelle Soll-Resonanzfrequenz
dadurch erzielt werden, dass der Abstand zwischen den Endabschnitten 33 eingestellt
wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 2 bis 4 werden
im Folgenden Abwandlungen der Ausführungsform beschrieben.
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Wie
oben beschrieben können
die Elektrodrahtabschnitte 32 an jeder der ersten und zweiten Flächen 37, 39 des
Verdrahtungselementes 30 angeordnet sein. Wie in 2 dargestellt
ist, ist in einer Modifikation der Ausführungsform das Erfassungselement 20 anstatt
an der ersten Fläche 37 an
der zweiten Fläche 39 angebracht.
Die erste Fläche 37 und
die zweite Fläche 39 können beispielsweise durch
eine Durchgangsausnehmung elektrisch miteinander verbunden sein.
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Wie
in 3 dargestellt ist, weist in einer Modifikation
der Ausführungsform
der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 eine Schaltungsplatine 10 mit
einem Lochabschnitt bzw. Durchgangsausnehmungsabschnitt 12 auf.
In diesem Fall ist das Verdrahtungselement 30 über dem
Lochabschnitt 12 angeordnet und an der Schaltungsplatine 10 an
den Endabschnitten 33 befestigt. Der mittlere Abschnitt 35 ist
oberhalb des Lochabschnitts 12 angeordnet, und das Erfassungselement 20 ist
an den mittleren Abschnitt 35 angebracht. Aufgrund der
Elastizität
des Verdrahtungselementes 30 kann daher das Erfassungselement 20 von
der ungewünschten äußeren Schwingung
isoliert werden.
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In
einer anderen Modifikation der Ausführungsform weist der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 zwei
Schaltungsplatinen 10 auf, die voneinander derart beabstandet
sind, dass sie zwischen sich einen Spalt ausbilden. In diesem Fall
sind ein Endabschnitt 33 des Verdrahtungselementes 30 an
einer Schaltungsplatine 10 und der andere Endabschnitt 33 an
der anderen Schaltungsplatine 10 angebracht. Somit ist
das Verdrahtungselement 30 über den zwei Schaltungsplatinen 10 derart
angeordnet, dass sich der mittlere Abschnitt 35 oberhalb
des Spaltes zwischen den zwei Schaltungsplatinen 10 befindet.
Das Erfassungselement 20 ist an dem mittleren Abschnitt 35 angeordnet.
Aufgrund der Elastizität
des Verdrahtungselementes 30 kann daher das Erfassungselement 20 von
den unerwünschten äußeren Schwingungen
isoliert werden. Die strukturelle Resonanzfre quenz kann dadurch
eingestellt werden, dass ein Abstand zwischen den zwei Schaltungsplatinen 10 eingestellt
wird.
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Wie
in 4 dargestellt ist, weicht in einer anderen Modifikation
der Ausführungsform
der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 ein radiales bzw. strahlenförmiges Verdrahtungselement
auf, das drei oder mehr Endabschnitte 33 hat, die an der
Schaltungsplatine 10 angebracht sind. Das Verdrahtungselement 30 ist
in dem mittleren Abschnitt 35 nach oben derart gekrümmt, dass
der mittlere Abschnitt 35 von der Schaltungsplatine 10 getrennt
ist.
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Die
Ausführungsform
und die Modifikationen, die oben beschrieben sind, können auf
verschiedene Arten abgeändert
werden. Beispielsweise kann der Streifenabschnitt 31 aus
verschiedenen Materialien hergestellt sein, die Eigenschaften wie
eine Flexibilität
und elektrische Isolation aufweisen. Das Verdrahtungselement 30 kann
an der Schaltungsplatine 10 auf verschiedene Arten befestigt
sein, solange verhindert wird, dass das Verdrahtungselement 30 die
ursprünglichen
und sekundären
Schwingungen des Schwingungselementes 21 beeinflusst. Das
Erfassungselement 20 und die Elektrodrahtabschnitte 32 des
Verdrahtungselementes 30 können miteinander anstelle der
Verbindungselemente 70 durch Verbindungsdrähte verbunden
sein. Das Erfassungselement 20 kann eine derart kombinierte
Einheit sein, dass der Halbleiterchip oder die piezoelektrische Stimmgabel
als einzelne Einheit mit einer Leiterplatine kombiniert ist. Das
Erfassungselement 20 kann eine kombinierte Baugruppeneinheit
sein.
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Es
ist ersichtlich, dass solche Änderungen und
Modifikationen im Umfang der gegenwärtigen Erfindung liegen, wie
sie durch die beigefügten
Ansprüche
definiert ist.
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Erfindungsgemäß ist ein
Winkelgeschwindigkeitssensor vorgeschlagen, der ein Basiselement 10,
das als Basis dient, ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 20 mit
einem Schwingungselement 21, und ein Verdrahtungselement 30 mit
einem flexiblen, elektrisch isolierenden Streifenabschnitt 31 und
mit einem Elektrodrahtabschnitt 32, aufweist. Das Verdrahtungselement 30 weist
Endabschnitte 33, die an dem Basiselement 10 angebracht
sind, und einen mittleren Abschnitt 35, der zwischen den Endabschnitten 33 angeordnet
ist, auf. Der mittlere Abschnitt 35 ist von dem Basiselement 10 getrennt, und
das Erfassungselement 20 ist an dem mittleren Abschnitt 35 angebracht.
Aufgrund einer Elastizität des
Verdrahtungselementes 30 kann daher das Erfassungselement 20 von
einer äußeren Schwingung isoliert
werden.