DE10110973B4

DE10110973B4 - Piezoelektrisches Schwingungsgyroskop und Verfahren zum Einstellen von Resonanzfrequenzen desselben

Info

Publication number: DE10110973B4
Application number: DE10110973A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Inoue; Mitsuru Yamamoto
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: DE10110973A1; JP2001255152A; US6490925B2; US20010020388A1

Abstract

Piezoelektrisches Schwingungsgyroskop, umfassend:
einen Hauptkörper, der zu einer rechteckigen Platte geformt und mit Vorder- und Rückflächen versehen ist, und
eine erste und zweite Gruppe von drei Armen, die von dem Hauptkörper in entgegengesetzte Richtungen vorstehen und auf Verlängerungen der Vorder- und Rückflächen liegen,
wobei der Hauptkörper und die erste und zweite Gruppe der drei Arme aus piezoelektrischem Material gebildet sind,
die erste Gruppe der drei Arme aus zwei Erregungsantriebsseitenarmen, die in einer entgegengesetzten Phase erregt werden, und einem Nichterregungsantriebsseitenarm besteht, der zwischen den beiden Erregungsantriebsseitenarmen eingefügt ist und nicht zu Schwingungen angeregt wird,
die zweite Gruppe der drei Arme aus zwei Schwingungsermittlungsseitenarmen, die in einer entgegengesetzten Phase schwingen, und einem Nichtschwingungsermittlungsseitenarm besteht, der zwischen den beiden Schwingungsermittelungsseitenarmen eingefügt ist und nicht zur Schwingungsermittlung dient,
die beiden Erregungsantriebsseitenarmejeweils mit Treiberelektroden zum Erregen einer tangentialen Schwingung versehen sind, die parallel zu den Vorder- und Rückflächen schwingt, und
die beiden Schwingungsantriebsseitenarmejeweils mit Ermittlungselektroden zum Ermitteln einer vertikalen Schwingung versehen sind, die vertikal zu den Vorder- und Rückflächen schwingt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingungsgyroskop eines Stimmgabeltyps, das aus einem piezoelektrischen Material gebildet und als piezoelektrisches Schwingungsgyroskop zu verwenden ist, und ein Verfahren zum Einstellen von Resonanzfrequenzen desselben.
Allgemein ist ein Schwingungsgyroskop als eine Einrichtung zum Messen einer Rotationsgeschwindigkeit eines rotierenden Objekts bekannt, an dem ein Schwingungsobjekt angebracht ist, durch Nutzung eines Phänomens, dass Coriolis-Kraft, die vertikal sowohl zu einem Vektor der Rotationsgeschwindigkeit als auch dem der Schwingung ist, auf das schwingende Objekt einwirkt, und ist als Einrichtung zum Bestätigen einer Position eines Flugzeugs, eines Schiffs oder eines Satelliten oder Raumfahrzeugs verwendet worden.
In letzter Zeit hat man begonnen, das Schwingungsgyroskop für verschiedene kommerzielle Zwecke zu verwenden, so wie Positionierung bei Fahrzeugnavigation, Steuerung einer Stellung eines Autos oder Ermittlung von Ablenkung einer Kamera für ein Magnetbandaufzeichnungs- oder Standbild.
In dem vorgenannten Schwingungsgyroskop wird eine Antriebsspannung auf diese Einrichtung zum Erregen von Antriebsschwingung eingeprägt, und eine durch Coriolis-Kraft verursachte Ermittlungsschwingung wird elektrisch erfasst. Die Schwingungsgyroskope des vorgenannten Typs werden als Sperry-Stimmgabelgyroskop, Watson-Stimmgabelgyroskop, recht eckige Metallplatten-Stimmgabelgyroskop, zylindrische Schwingungsgyroskop etc. klassifiziert, wie in "Elasticwave device band book" [Handbuch über Elastizitätswelleneinrichtungen] (OHM Co. Ltd.), Seiten 491 bis Seiten 497, gezeigt ist.
Früher ist ein piezoelektrische Schwingungsgyroskop dieser Art in den Japanischen offengelegten Patentanmeldungen Nr. 8-128830 offenbart worden, in der ein Stimmgabelgyroskop mit hoher Leistung, hergestellt aus Lithiumtantalat, bekannt gemacht wird.
Das vorgenannte piezoelektrische Schwingungsgyroskop soll unter Bezugnahme auf die 1A, 1B erklärt werden.
Wie in diesen Zeichnungen gezeigt ist, besteht ein piezoelektrisches Schwingungsgyroskop 100 aus einem Grundteil 101 mit einer rechteckigen Hauptfläche 101a und einem rechten und linken Arm 102, 103, die von beiden Seitenenden des Grundteils 101 auf der gleichen Seite desselben vorstehen, und alle diese Strukturelemente bilden ein Gyroskop vom Stimmgabeltyp. Der rechte und der linke Arm 102, 103 sind jeweils mit Treiberelektroden zum Erregen einer Schwingung und Ermittlungselektroden zum Ermitteln der Schwingung (keine der beiden Elektroden ist gezeigt) versehen.
Als nächstes soll der Betrieb des oben genannten piezoelektrischen Schwingungsgyroskops unter Bezugnahme auf die 1A, 1B erklärt werden.
Wenn eine Treiberspannung auf die Elektroden an dem rechten Arm 102 eingeprägt wird, schwingt der Arm 102 von rechts nach links in einer Ebene, die parallel zu der Hauptfläche 101a des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 100 verläuft. Wenn der rechte Arm 102 schwingt, wird die Schwingung zu dem linken Arm 103 über den Grundteil 101 übertragen, und die Arme 102, 103 beginnen eine tangentiale Schwingung. Das heißt, diese Arme wiederholen solche Bewegungen, dass die Arme 102, 103 nahe zu und entfernt von einander in einer Ebene sind, die parallel zu der Hauptfläche 101a des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 100 verläuft. Die tangentiale Schwingung ist eine von kennzeichnenden Schwingungsmodi des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 100 und wirkt in diesem Beispiel als eine Antriebsschwingungsart.
Wenn das piezoelektrische Schwingungsgyroskop 100 an einem rotierenden Objekt befestigt ist, das um die in 1A gezeigte Z-Achse (eine Vorsprungrichtung der Arme 102, 103) bei einer Rotationsgeschwindigkeit von Ω rotiert, wirken zu diesem Zeitpunkt Coriolis-Kräfte Fc vertikal zu der Hauptfläche 101a auf die Arme 102, 103 ein.
Dementsprechend wird die vertikale Schwingung in den Armen 102, 103 aufgrund der Coriolis-Kräfte Fc erregt, und dadurch wiederholen diese Arme eine solche Bewegung, dass sie in den entgegengesetzten Richtungen vertikal zu der Hauptfläche 101a verschoben werden. Die vertikale Schwingung ist auch eine andere der kennzeichnenden Schwingungsmodi des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 100 und wirkt in diesem Beispiel als eine Erkennungsschwingungsart.
Zum Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit Ω des rotierenden Objekts um die Z-Achse wird die vertikale Schwingung der Ermittlungsschwingungsart durch eine Differenz in einem Potential zwischen den an dem Arm 103 ausgebildeten Ermittlungselektroden ermittelt.
Da es jedoch bei dem in den obigen Ausführungen genannten konventionellen piezoelektrischen Schwingungsgyroskop keinen (unbewegten) Knoten-Punkt sowohl der Antriebs- als auch der Ermittlungsschwingungsarten gibt, wird nicht nur die vertikale Schwingung (die Ermittlungsschwingungsart) sondern auch die tangentiale Schwingung (die Antriebsschwin gungsart) im linken Arm 103 erregt. Da beide der Arme 102, 103 auf der selben Seite vorstehen, sind diese Arme außerdem nahe beieinander angeordnet.
Als Ergebnis stören sich die Antriebs- und Ermittlungsschwingungsarten gegenseitig. Das heißt, eine mechanische Kopplung erfolgt zwischen den Armen 102, 103. Außerdem stört eine auf die Treiberelektroden eingeprägte Spannung einen Ermittlungsstrom, der durch die Ermittlungselektroden fließt; daher erfolgt eine elektrostatische Kopplung zwischen den Antriebs- und Ermittlungselektroden. Dementsprechend erfolgt eine elektromechanische Kopplung zwischen den Antriebs- und Ermittlungselektroden, die ein Rauschen verursacht, welches die Ermittlung stört, den Rauschabstand verschlechtert und die Auflösung der Rotationsgeschwindigkeit absenkt.
Aus der JP-11072333 A , der JP-11014373 A und der EP 0764 828 A1 sind piezoelektrische Vibrationsgyroskope mit mehreren Schwingungsarmen bekannt, die teils als Antriebsarme, teils als Sensorarme dienen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein piezoelektrisches Schwingungsgyroskop zum Ermitteln von Resonanzfrequenzen zu schaffen, bei dem die Rotationsgeschwindigkeit eines rotierenden Objekts unter einem zufriedenstellenden Rauschabstand ermittelt werden kann und die Auflösung der Rotationsgeschwindigkeit erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Hauptanspruches.

Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung soll ausführlicher in Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen erläutert werden, in denen:
1A, 1B perspektivische Ansichten sind, um jeweils einen Schwingungszustand einer Antriebsschwingungsart und den einer Ermittlungsschwingungsart in einem konventionellen piezoelektrischen Schwingungsgyroskop eines Stimmgabeltyps zu zeigen;
2 eine perspektivische Ansicht zum Zeigen eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
3A, 38, 3C jeweils eine Draufsicht, eine Vorderansicht und eine Bodenansicht zum Zeigen einer Anordnung von Elektroden eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen,
4 ein Schaltbild zum Zeigen von elektrischen Anschlüssen von Treiberelektroden in einem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist,
5 ein Schaltbild zum Zeigen von elektrischen Anschlüssen von Ermittlungselektroden in einem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
6 eine perspektivische Ansicht zum Zeigen von Verschiebungen von Armen bei einer Schwingung einer Antriebsschwingungsart in einem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
7 eine perspektivische Ansicht zum Zeigen von Verschiebungen von Armen bei einer Schwingung einer Ermittlungsschwingungsart in einem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
8A, 8B eine Vorderansicht bzw. eine Draufsicht zum Zeigen von Erregungsantriebsseitenarmen eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind,
9 ein Verhältnis zwischen einer Länge einer Treiberelektrode eines Erregungsantriebsseitenarms und eines effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zeigt,
10 ein Verhältnis zwischen der Breite einer Treiberelektrode eines Erregungsantriebsseitenarms und dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zeigt,
11A, 11B eine Vorderansicht bzw. eine Draufsicht eines Schwingungsermittlungsseitenarms eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
12 ein Verhältnis zwischen einer Länge einer Ermittlungselektrode eines in den 11A und 11B gezeigten Schwingungsermittlungsseitenarms und einem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zeigt,
13 ein Verhältnis zwischen einer Breite einer Ermittlungselektrode eines in den 11A, 11B gezeigten Schwingungsermittlungsseitenarms und einem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zeigt,
14 eine Seitenansicht zum Zeigen eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, der an einem Schwerpunkt desselben abgestützt ist,
15 eine perspektivische Ansicht zum Zeigen eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
16A, 16B, 16C eine Draufsicht, eine Vorderansicht bzw. eine Bodenansicht eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Zeigen einer Anordnung von Elektroden sind,
17 ein Schaltbild zum Zeigen von elektrischen Anschlüssen von Treiberelektroden eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, und
18 ein Schaltbild zum Zeigen von elektrischen Anschlüssen von Ermittlungselektroden eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
Im folgenden sollen Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert werden.
2 ist eine perspektivische Ansicht zum Zeigen eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In 2 besteht ein piezoelektrischer Schwingungsgyroskop, das eine durch eine Bezugsziffer 1 gekennzeichnete doppelte Dreizackstimmgabel verwendet, aus einem Hauptkörper 2, Antriebsseitenarmen 3 und Ermittlungsseitenarmen 4. Das piezoelektrische Schwingungsgyroskop 1 ist derart aufgebaut, um symmetrisch sowohl in Bezug zu der horizontalen als auch der vertikalen Achse zu sein, und wird aus piezoelektrischem Material hergestellt, so wie Z-geschnittenem Langasit.
Der Hauptkörper 2 wird von Hauptflächen 2a, 2b gebildet, die der Vorder- bzw. der Rückfläche entsprechen, und vier Endflächen 2c, 2d, 2e, 2f, die der Ober-, Unter-, linken Seiten- und rechten Seitenfläche des Hauptkörpers 2 entsprechen und durchgehend mit den Hauptflächen 2a, 2b sind. Der Hauptkörper 2 ist zu einer rechteckigen Platte mit einem hohen Starrheitsmodul geformt, um Übertragung einer spezifizierten Schwingung von den Antriebsseitenarmen 3 zu den Ermittlungsseitenarmen 4 zu verhindern. In diesem Fall bedeutet die spezifizierte Schwingung eine solche tangentiale Schwingung, dass die Antriebsseitenarme 3 in einer Ebene schwingen, die parallel zu den Hauptflächen 2a, 2b verläuft.
Die Antriebsseitenarme 3 bestehen aus zwei Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b, die in einer entgegengesetzten Phase erregt werden, und Nichterregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b. Diese Antriebsseitenarme 3a, 3b, 3c stehen vertikal von der oberen Fläche 2c des Hauptkörpers 2 vor, um auf Verlängerungen der Hauptflächen 2a, 2b zu liegen. Die Antriebsseitenarme 3a, 3b, 3c laufen parallel zueinander in einem vorbestimmten Zwischenraum, und alle Dicken derselben sind gleich derjenigen des Hauptkörpers 2. Außerdem sind die Querschnitte der Antriebsseitenarme 3a, 3b, 3c beinahe quadratförmig.
Die Ermittlungsseitenarme 4 bestehen aus zwei Schwingungsermittlungsseitenarmen 4a, 4b, die in einer entgegengesetzten Phase schwingen, und einem Nichtschwingungsermittlungsseitenarm 4c, der zwischen den Schwingungsermittlungsseitenarmen 4a, 4b eingefügt ist. Die Antriebsseitenarme 4a, 4b, 4c stehen vertikal von der Bodenfläche 2d des Hauptkörpers 2 derart vor, dass sie auf Verlängerungen der Hauptflächen 2a, 2b liegen. Die Ermittlungsseitenarme 4a, 4b, 4c verlaufen parallel zueinander bei einem vorbestimmten Zwischenraum, und alle Dicken derselben sind gleich derjenigen des Hauptkörpers 2. Außerdem sind die Querschnitte der Ermittlungsseitenarme 4a, 4b, 4c beinahe quadratförmig. Mittelachsen der Ermittlungsseitenarme 4a, 4b, 4c stimmen jeweils mit denjenigen der Antriebsseitenarme 3a, 3b, 3c überein.
Als nächstes sollen die Anordnungen von Elektroden und elektrischen Anschlüssen zwischen diesen in dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schwingungsgyroskop unter Bezugnahme auf die 3A, 3B, 3C, 4, 5 erläutert werden.
Die 3A, 3B, 3C zeigen eine Draufsicht, eine Vorderansicht bzw. eine Bodenansicht zum Zeigen der Anordnung der Elektroden in dem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 4 ist ein Schaltbild zum Zeigen der elektrischen Anschlüsse der Treiberelektroden des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 5 ist ein Schaltbild zum Zeigen der elektrischen Anschlüsse der Ermittlungselektroden in dem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Wie in den 3A, 3B, 3C gezeigt ist, ist jeder der Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b mit vier Treiberelektroden 5 zum Erregen der tangentialen Schwingung versehen, in der ein Schwingungsvektor parallel zu der Hauptfläche 2a des Hauptkörpers 2 ist. Andererseits ist jeder der Schwingungsermittlungsseitenarme 4a, 4b mit vier Ermittlungselektroden 5 zum Ermitteln einer vertikalen Schwingung versehen, in der ein Schwingungsvektor vertikal zu der Hauptfläche 2a des Hauptkörpers 2 ist.
Jede Treiberelektrode 5 wird aus einem rechteckigen Metallblech mit einheitlichen Abmessungen gebildet und erstreckt sich von einem Anfangsende jedes der Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b zu einem Abschlussende derselben. Jede einer Vorderfläche, einer Rückfläche, einer linken Seitenfläche und einer rechten Seitenfläche (im folgenden bei Bedarf vertikale Oberflächen) jedes der Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b ist mit der Treiberelektrode 5 versehen, die entlang einer Mittellinie der vertikalen Oberfläche verläuft. Die Vorder- und Rückflächen sind parallel zu der Hauptfläche 2a des Hauptkörpers 2, und die linke und rechte Seitenfläche sind vertikal zu derselben.
Wie in 4 gezeigt ist, sind die jeweiligen Treiberelektroden 5 so an eine Wechselstromversorgung G angeschlossen, dass die einander entgegengesetzt angeordneten Treiberelektroden 5 mit einer Spannung der gleichen Polarität versorgt werden, und die benachbart angeordneten Treiberelektroden 5 mit den Spannungen entgegengesetzter Polarität versorgt werden.
Die Phasen der den Treiberelektroden 5 des Erregungsantriebsseitenarms 3a zugeführten Ströme sind denjenigen des Erregungsantriebsseitenarms 3b entgegengesetzt.
Jede der Ermittlungselektroden 6 ist aus einem rechteckigen Metallblech mit vereinheitlichten Abmessung gebildet. Die Ermittlungselektroden 6 sind auf den linken und rechten Seitenflächen der Schwingungsermittlungsseitenarme 4a, 4b ausgebildet. Die Ermittlungselektroden 6 auf der selben Seitenfläche sind als ein Paar von streifenförmigen Elektroden ausgebildet, die entlang beider Seitenränder der vertikalen Oberfläche verlaufen und sich von dem Anfangsende des Schwingungsermittlungsseitenarms 4a oder 4b zu einem Abschlussende desselben erstrecken.
Wie in 5 gezeigt ist, sind die jeweiligen Ermittlungselektroden derart an eine Einmittlungseinrichtung (nicht gezeigt) angeschlossen, dass die auf der selben Diagonale der Querschnitte der Schwingungsermittlungsseitenarme 4a, 4b angeordneten Ermittlungselektroden die gleiche Polarität haben, die einander entgegengesetzt angeordneten Ermittlungselektroden 6 die entgegengesetzte Polarität aufweisen und die Ermittlungselektroden 6 an der selben Seitenfläche in entgegengesetzter Polarität sind.
Außerdem sind die Ermittlungselektroden 6 an dem Schwingungsermittlungsseitenarm 4a und die Ermittlungselektroden 6 an dem Schwingungsermittlungsseitenarm 4b derart an die Ermittlungseinrichtung angeschlossen, dass die Polarität der ersteren derjenigen der letzteren entgegengesetzt ist.
Als nächstes soll der Betrieb des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß dieser Ausführungsform zum Zeitpunkt der Ermittlung einer Rotationsgeschwindigkeit unter Bezugnahme auf die 4 bis 7 erläutert werden.
Wenn eine Wechselspannung auf die Treiberelektroden 5 eingeprägt wird, werden durch Pfeile in 4 gezeigte elektrische Felder in den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b erzeugt, und dadurch werden mechanische Spannungen verursacht. Dementsprechend werden die Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b in der Richtung parallel zu der Hauptfläche 2a des Hauptkörpers 2 verschoben und schwingen in die linke und rechte Richtung.
In diesem Fall werden die elektrischen Felder mit entgegengesetzten Richtungen jeweils in den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b zu jedem Zeitpunkt entsprechend eines Unterschieds in dem elektrischen Anschluss zwischen den in 4 gezeigten Armen 3a, 3b erzeugt, und die mechanischen Verschiebungen in die entgegengesetzten Richtungen werden in diesem Armen verursacht. Als Ergebnis werden die tangentialen Schwingungen (die Schwingungen parallel zu der Hauptfläche 2a) mit einer Phasendifferenz von π jeweils in den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b erregt, wie durch Zweipunkt-Kettenlinien in 6 dargestellt ist. Die vorgenannte tangentiale Schwingung ist eine der Antriebsschwingungsarten in dem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop, der eine doppelte Dreizackstimmgabel gemäß dieser Ausführungsform verwendet.
Obwohl die äußerst großen Verschiebungen der Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b in 6 zum besseren Verständnis gezeigt sind, ist die tatsächliche Verschiebung jedes der Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b innerhalb eines Bereichs begrenzt, der nicht mit einem benachbarten Arm in Kontakt gebracht wird.
In dem Fall, dass die tangentiale Schwingung in den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b erregt wird und der piezoelektrische Schwingungsgyroskop 1 auf ein rotierendes Objekt gesetzt wird, das bei einer Rotationsgeschwindigkeit von Ω um die Vorsprungrichtung der Antriebsseitenarme 3a, 3b, 3c (in 2 gezeigte y-Achse) rotiert, wirkt Coriolis-Kraft auf die Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b vertikal zu der Hauptfläche 2a des Hauptkörpers 2. Als Ergebnis werden zwei vertikale Schwingungen mit entgegengesetzten Phasen, die vertikal zu der Hauptfläche 2a des Hauptkörpers 2 schwingen, jeweils in den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b als Reaktion auf die tangentiale Schwingung erregt, wie durch Zweipunkt-Kettenlinien in 7 dargestellt ist.
In diesem Fall wird die vertikale Schwingung in den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b über den Hauptkörper 2 zu den Schwingungsermittlungsseitenarmen 4a, 4b übertragen. Ähnlich der tangentialen Schwingung in den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b werden die beiden vertikalen Schwingungen mit den entgegengesetzten Phasen, die vertikal zu der Hauptfläche 2a des Hauptkörpers 2 schwingen, jeweils in den Schwingungsermittlungsseitenarmen 4a, 4b erregt. Die vorgenannte vertikale Schwingung ist eine der Ermittlungsschwingungsarten in dem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop, das eine doppelte Dreizackstimmgabel gemäß dieser Ausführungsform verwendet.
In diesem Fall sind die Verschiebungen der vertikalen Schwingung der Schwingungsermittlungsseitenarme 4a, 4b mehrere Male so groß wie die Verschiebungen der vertikalen Schwingung der Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b, wie in 7 gezeigt ist.
Da das Starrheitsmodul des Hauptkörpers 2 in der Hauptfläche desselben hoch ist, wird die tangentiale Schwingung der Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b fast nicht zu den Ermittlungsseitenarmen 4a, 4b, 4c übertragen, und die tangentiale Schwingung der Ermittlungsseitenarme 4a, 4b, 4c wird fast nicht erregt.
Die durch in 5 gezeigte Pfeile dargestellten elektrischen Felder werden durch elektrische Ladung verursacht, die durch die Verschiebungen der vertikalen Schwingung der Schwingungsermittlungsseitenarme 4a, 4b hervorgerufen wird, und eine Potentialdifferenz wird zwischen den Ermittlungselektroden 6 erzeugt. Die Rotationsgeschwindigkeit Ω des rotierenden Objekts um die Y-Achse kann durch Messung der vorgenannten Potentialdifferenz gewählt werden.
Die 6, 7 zeigen die Schwingungsmodi des eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendenden piezoelektrischen Schwin gungsgyroskops 1, die durch das der finiten Elemente analysiert werden. Die Erfinder bestätigen, dass eine Verteilung der durch die in den 6, 7 gezeigte Schwingung verursachten Verschiebung mit den beobachteten Ergebnissen des Versuchs übereinstimmt, in dem das eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendende piezoelektrische Schwingungsgyroskop schwingt, und die durch die Schwingung verursachte Verschiebung wird mittels eines Doppler-Laserschwingungsmessgeräts gemessen.
Als nächstes soll ein Umriss eines Verfahrens zum Herstellen des eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendenden piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 1 erläutert werden. Eine Grundplatte des in 2 gezeigten Gyroskops 1 wird aus einer Z-geschnittenen Langasit-Platte durch das Drahtschneideverfahren ausgeschnitten. Die in den 3A, 3B 3C gezeigten Treiberelektroden 5 und die Ermittlungselektroden 6 werden als bedampfte Au/Cr-Elektroden durch die Verfahren von Verdampfung und Photolack gebildet.
In dieser Ausführungsform ist es zweckdienlich, die gesamte Struktur des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops symmetrisch sowohl in Bezug zu der horizontalen als auch der vertikalen Achse desselben und die Dicke des Hauptkörpers 2 und diejenigen der Arme 3, 4 einander gleich auszulegen, um jegliche Schwingung zu unterdrücken, die anderes als die tangentiale Schwingung der Antriebsschwingungsart und die vertikale Schwingung der Ermittlungsschwingungsart ist, mit anderen Worten "ein Rauschen". Wenn die gesamte Struktur von der vorgenannten Konfiguration abweicht, treten Störsignal-Ansprechfrequenzen auf, die anders als die Resonanzfrequenzen der tangentialen und vertikalen Schwingungen sind, und das Störsignal-Ansprechverhalten muss bewältigt werden.
Das heißt, das eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendende piezoelektrische Schwingungsgyroskop, das kein Störsignal- Ansprechverhalten aufweist und einen zufriedenstellenden Frequenzgang und eine schnelle Anstiegscharakteristik zeigt, kann durch solches Bilden dieser Einrichtung erhalten werden, dass sie symmetrisch sowohl in Bezug zur horizontalen als auch zur vertikalen Achse desselben ist. In dieser Ausführungsform betragen die Länge, die Breite und die Dicke des Hauptkörpers 2 4mm, 4mm bzw. 0,46 mm und die Länge, die Breite und die Dicke der Arme 3, 4 betragen 6 mm, 0,4 mm bzw. 0,46 mm.
In dieser Ausführungsform ist es zum Erregen der tangentialen Schwingung in den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b mit einer hohen Effizienz durch Einprägen einer Spannung auf den Treiberelektroden 5 zweckdienlich, einen effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (Keff) der Treiberelektroden 5 so hoch wie möglich zu vergrößern.
Als nächstes soll das Verhältnis zwischen dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und der Größe der Treiberelektroden 5 unter Bezugnahme auf die 8A, 8B, 9, 10 erläutert werden.
Die 8a, 8B zeigen eine Vorderansicht bzw. eine Draufsicht der Erregungsantriebsseitenarme des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 9 zeigt das Verhältnis zwischen einer Länge der Treiberelektrode des in den 8A und 8B gezeigten Erregungsantriebsseitenarms und dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten. 10 zeigt das Verhältnis zwischen der Breite der Treiberelektrode des in den 8A, 8B gezeigten Erregungsantriebsseitenarms und dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten.
Da bei dem eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendenden piezoelektrischen Schwingungsgyroskop 1 die Steifheit des Hauptkörpers 2 ausreichend größer als diejenige der An triebsseitenarme 3a, 3b, 3c ist, ist es angemessen, anzunehmen, dass der Erregungsantriebsseitenarm 3a als ein Freiträger wie in den 8A, 8B gezeigt angesehen werden kann.
Dementsprechend wird der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient als eine Funktion der Abmessungen der Treiberelektrode 5 auf der Grundlage einer Annahme berechnet, dass der Erregungsantriebsseitenarm 3a als der Freiträger angesehen werden kann.
Zuerst wird, während das Verhältnis der Breite We der Treiberelektrode 6 zu der Breite Wa des Erregungsantriebsseitenarms 3a (We/Wa) bei 0,7 gehalten wird, das Verhältnis der Länge Le des Erregungsantriebsseitenarms 3a zu der Länge La des Erregungsantriebsseitenarms 3a (Le/La) von 0 zu 1 geändert. In diesem Fall ist der gewählte elektromechanische Kopplungskoeffizient (ein relativer Wert) als eine Funktion von Le/La in 9 gezeigt.
Wie 9 zu entnehmen ist, wird der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient in einem Bereich hoch, wo das Verhältnis Le/La 0,4 bis 0,7 beträgt.
Als nächstes wird, während das Verhältnis der Länge Le der Treiberelektrode 5 zu der Länge La des Erregungsantriebsseitenarms 3a (Le/La) bei 0,6 gehalten wird, die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Breite We der Treiberelektrode 5 zu der Breite Wa des Erregungsantriebsseitenarms 3a (We/Wa) und dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (ein relativer Wert) wie in 10 gezeigt berechnet.
Wie 10 zu entnehmen ist, wird der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient hoch in einem Bereich, dass We/Wa 0,5 bis 0,7 beträgt.
Den vorgenannten Ergebnissen zufolge kann der hohe effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient in dem Fall erhalten werden, dass die Länge der Treiberelektroden 5 40 bis 70 Prozent der Länge der Antriebsseitenarme 3a, 3b, 3c beträgt und die Breite der Treiberelektrode 5 50 bis 70 Prozent der Breite der Antriebsseitenarme 3a, 3b, 3c beträgt.
Außerdem ist es zum Erhöhen der Empfindlichkeit bei der Ermittlung der vertikalen Schwingung des Schwingungsermittlungsseitenarms 4a in dieser Ausführungsform zweckdienlich, die Größe der Ermittlungselektrode 6 so auszuwählen, dass der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient so hoch wie möglich gemacht wird.
Als nächstes soll das Verhältnis zwischen der Größe der Ermittlungselektrode 6 und dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten unter Bezugnahme auf die 11A, 11B, 12, 13 erklärt werden.
Die 11A, 11B zeigen die Vorder- bzw. Draufsicht des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 12 zeigt das Verhältnis zwischen der Länge der Ermittlungselektrode des in den 11A, 11B gezeigten Schwingungsermittlungsseitenarms und dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten. 13 zeigt das Verhältnis zwischen der Breite der Ermittlungselektrode des in den 11A, 11B gezeigten Schwingungsermittlungsseitenarms und dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten.
Da die Steifheit des Hauptkörpers 2 des eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendenden piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 1 viel größer als diejenige der Ermittlungsseitenarme 4a, 4b, 4c ist, ist es angemessen, anzunehmen, dass der Schwingungsermittlungsseitenarm 4a als ein Freiträger (cantilever) wie in den 11A, 11B gezeigt angesehen werden kann.
Aus dieser Sichtweise heraus wird der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient des Schwingungsermittlungsseitenarms 4a als eine Funktion der Größe der Treiberelektrode 6 auf der Grundlage einer Annahme berechnet, dass der Schwingungsermittlungsseitenarm 4a als der Freiträger angesehen werden kann.
Zuerst wird, während das Verhältnis der doppelten Breite Wev der Treiberelektrode 8 (eine Summe der Breiten der auf der selben Oberfläche ausgebildeten beiden Ermittlungselektroden 6) zu der Breite Wav des Schwingungsermittlungsseitenarms 4a (Wev/Wav) bei 0,5 gehalten wird, das Verhältnis der Länge Lev der Ermittlungselektrode 6 zu der Länge Lav des Schwingungsermittlungsseitenarms 4a (Lev/Lav) von 0 auf 1 geändert. 12 zeigt ein Verhältnis zwischen Lev/Lav und dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten in dem vorgenannten Fall.
Wie 12 zu entnehmen ist, nimmt der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient einen hohen Wert in einem Bereich an, dass Lev/Lav 0,4 bis 0,7 beträgt.
Als nächstes wird, während das Verhältnis der Länge Lev der Ermittlungselektrode 6 zu der Länge Lav des Schwingungsermittlungsseitenarms 4a (Lev/Lav) bei 0,6 gehalten wird, das Verhältnis der doppelten Breite Wev der Ermittlungselektrode 6 (die Summe der Breiten der auf der selben Oberfläche ausgebildeten beiden Ermittlungselektroden 6) zu der Breite Wav des Schwingungsermittlungsseitenarms 4a (Wev/Wav) von 0 auf 1 geändert. 13 zeigt den effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizient als eine Funktion von Wev/Wav.
Wie 13 entnommen werden kann, nimmt der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient einen hohen Wert in einem Bereich an, wo Wev/Wav 0,3 bis 0,5 beträgt.
Aus den vorgenannten Überlegungen kann gefolgert werden, dass, wenn die Länge der Ermittlungselektrode 6 40 bis 70 Prozent der Länge der Ermittlungsseitenarme 4a, 4b, 4c beträgt und die doppelte Breite der Ermittlungselektrode 6 30 bis 50 Prozent der Breite der Ermittlungsseitenarme 4a, 4b, 4c beträgt, der hohe effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient erhalten werden kann und das piezoelektrische Schwingungsgyroskop 1 mit einem Breitband-Frequenzgang und der hohen Empfindlichkeit bei der Ermittlung kann erhalten werden.
Bei dem oben genannten piezoelektrischen Schwingungsgyroskop 1 wird, obwohl die Empfindlichkeit in der Ermittlung in dem Fall erhöht ist, dass eine Differenz in einer Resonanzfrequenz zwischen den Antriebs- und Ermittlungsschwingungsarten zu klein ist, eine durch ein Rauschen so wie eine externe Schwingung verursachte Übergangsänderung in der Rotationsgeschwindigkeit bemerkbar.
Dementsprechend ist es zum Erhalt des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 1 mit einem zufriedenstellenden Frequenzgang und hoher Ermittlungsempfindlichkeit zweckdienlich, dass eine Differenz in einer Resonanzfrequenz zwischen der Antriebs- und Ermittlungsschwingungsart vorliegt, mit anderen Worten eine versetzte Abstimmung (off-tuning). Wenn das piezoelektrische Schwingungsgyroskop zum Beispiel in einem Auto installiert ist, ist es zweckdienlich, dass die Differenz in der Resonanzfrequenz zwischen der tangentialen Schwingung (die Antriebsschwingungsart) und der vertikalen Schwingung (die Ermittlungsschwingungsart) ungefähr 100 Hz beträgt, folglich wird die vorgenannte Differenz in der Resonanzfrequenz in dieser Ausführungsform als 100 Hz gewählt.
Zum Erfüllen der vorgenannten Anforderung, haben die Erfinder eine Technik erdacht, dass vier Ecken des Hauptkörpers 2 mittels eines Lasers als ein Verfahren zum Einstellen der Differenz in der Resonanzfrequenz zwischen der Antriebsund Ermittlungsschwingungsart abzuschneiden. Obwohl die Resonanzfrequenzen sowohl der tangentialen als auch der vertikalen Schwingungen herabgesetzt sind, da Herabsetzen der Resonanzfrequenz der tangentialen Schwingung stärker feststellbar als diejenige der vertikalen Schwingung ist, kann dem vorgenannten Verfahren zufolge die Differenz in der Resonanzfrequenz zwischen den tangentialen und vertikalen Schwingungen (die Antriebs- und Ermittlungsschwingungsart) glatter durch Abschneiden der vier Ecken des Hauptkörpers 2 eingestellt werden.
Da in dieser Ausführungsform die gesamte Struktur des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 1 symmetrisch sowohl bezüglich der horizontalen als auch der vertikalen Achse ist, beträgt eine durch die Schwingung verursachte Verschiebung eines Schwerpunkts desselben weniger als 0,01 Prozent der maximalen Verschiebung des Schwingungsermittlungsseitenarms 4a, 4b, und das piezoelektrische Schwingungsgyroskop 1 kann an dem Schwerpunkt desselben unter Aufrechterhaltung einer hohen Stabilität wie in 14 gezeigt abgestützt werden.
14 ist eine Seitenansicht zum Zeigen des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 1, das durch ein Stützelement 20 abgestützt ist, das an dem Schwerpunkt desselben befestigt ist. In dieser Ausführungsform ist das Stützelement 20 aus Quarzglas gebildet und ein Durchmesser und eine Höhe desselben betragen beide 1 mm.
Wenn das eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendende piezoelektrische Schwingungsgyroskop 1 wie oben ausgeführt an seinem Schwerpunkt abgestützt wird, wird der mechanische Qualitätsfaktor des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 1 nur um einen Faktor von 0,2 abgesenkt, und eine Verlustzunahme in der Schwingung kann fast nicht beobachtet werden.
Außerdem beträgt in dem vorgenannten Fall eine Änderung der Resonanzfrequenz weniger als 3 Hz sowohl in der Antriebsschwingungsart (die tangentiale Schwingung) als auch der Ermittlungsschwingungsart (die vertikale Schwingung).
Die Erfinder stützen das aus Einkristalllangasit gebildeten piezoelektrischen Schwingungsgyroskop 1 wie in 14 gezeigt ab und ermitteln eine Rotationsgeschwindigkeit. Sie bestätigen, dass eine hohe Empfindlichkeit bei der Ermittelung von 0,6 mV/(Grad/s) erhalten werden kann.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass Verschiebungen des Nichterregungsantriebsseitenarms 3c und des Nichtschwingungsermittlungsseitenarms 4c extrem klein sind, sehen die Erfinder das erste und zweite Stützelement für das piezoelektrischen Schwingungsgyroskop 1 vor, wobei der erste Abstützpunkt auf einer Grenze zwischen dem Nichterregungsantriebsarm 3c und dem Hauptkörper 2 angeordnet wird, und der zweite Abstützpunkt auf einer Grenze zwischen dem Hauptkörper 2 und dem Nichtschwingungsermittlungsseitenarm 4c angeordnet wird. Diesem Verfahren zufolge kann das piezoelektrische Schwingungsgyroskop 1 unter Aufrechterhaltung einer hohen Stabilität ähnlich dem in 14 gezeigten Verfahren abgestützt werden, bei dem diese Einrichtung an ihrem Schwerpunkt abgestützt wird.
Wie oben erwähnt, wird bei dem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop 1 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wenn die Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b tangential und symmetrisch erregt werden, die vertikale Schwingung in den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b aufgrund von Coriolis-Kraft erregt, die vertikal zu der Hauptfläche 2a des Hauptkörpers 2 ist. Die vertikale Schwingung wird zu den Schwingungsermittlungsseitenarmen 4a, 4b über den Hauptkörper 2 übertragen, das heißt, die vertikale Schwingung (die Schwingung der Ermittlungsschwingungsart) wird in den Schwingungsermittlungsseitenarmen 4a, 4b erregt.
Da in diesem Fall die Schwingung des Antriebsschwingungsmodus (die tangentiale Schwingung) fast nicht zu den Ermittlungsseitenarmen 4a, 4b, 4c übertragen wird, wird die Schwingung des Antriebsschwingungsmodus nicht in den Ermittlungsseitenarmen 4a, 4b, 4c erregt, und nur die Schwingung des Ermittlungsschwingungsmodus (die vertikale Schwingung) wird in denselben erregt. Da eine mechanische Kopplung zwischen dem Antriebs- und dem Ermittlungsschwingungsrnodus nicht in den Ermittlungsseitenarmen 4a, 4b, 4c erfolgt, kann dementsprechend eine zufriedenstellende Ermittlung bei einem hohen Rauschabstand in den Ermittlungsseitenarmen 4a, 4b, 4c durchgeführt werden.
Da der Hauptkörper 2 in dieser Ausführungsform zwischen den Erregungsantriebsseitenarmen 3a, 3b und den Schwingungsermittlungsseitenarmen 4a, 4b angeordnet ist, sind die Treiberelektroden 5 außerdem ausreichend von den Ermittlungselektroden 6 entfernt, und dadurch ist die elektrostatische Kopplung zwischen denselben geringfügig, folglich kann die Ermittlung bei einem hohen Rauschabstand durchgeführt werden.
Da die Struktur des eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendenden piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 1 symmetrisch sowohl bezüglich der, horizontalen als auch der vertikalen Achse ist, erfolgt die Schwingung des Schwerpunktes desselben außerdem nicht unähnlich zu der für das gleiche Objekt verwendeten konventionellen Einrichtung, folglich kann das erfindungsgemäße piezoelektrische Schwingungsgyroskop 1 in einen stark stabilisierten Zustand abgestützt werden. Da die Verschiebungen der Schwingungsermittlungsseitenarme 4a, 4b mehrere Male so groß wie diejenigen der Erregungsantriebsseitenarme 3a, 3b sind, kann die Ermittlung zusätzlich mit einer hohen Empfindlichkeit durchgeführt werden.
Obwohl die Erläuterung an der Einrichtung aufgeführt wurde, dass die Rotationsgeschwindigkeit in den obigen Beschreibungen mittels der an beiden der Schwingungsermittlungsseitenarme 4a, 4b ausgebildeten Ermittlungselektroden 6 ermittelt wird, ist die Anwendung der Erfindung nie auf die vorgenannte Struktur begrenzt und die Rotationsgeschwindigkeit kann durch Ausbilden der Ermittlungselektroden 6 an einem der Schwingungsermittlungsseitenarme 4a, 4b ermittelt werden.
Als nächstes soll die zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 15, 16A, 16B, 17, 18 erläutert werden.
15 ist eine perspektivische Ansicht zum Zeigen eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Ein piezoelektrisches Schwingungsgyroskop, das eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendet und durch die Bezugsziffer 51 gekennzeichnet ist, besteht aus einem Hauptkörper 52, Antriebsseitenarmen 53 und Ermittlungsseitenarmen 54, und ist symmetrisch sowohl bezüglich der horizontalen als auch der vertikalen Achse. Eine vollständige Struktur der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist aus X-geschnittenem piezoelektrischem Langasitmaterial gebildet.
Der Hauptkörper 52 besteht aus zwei Hauptflächen 52a, 52b, die Vorder- und Rückflächen entsprechen, und vier Endflächen 52c, 52d, 52e, 52f, die der oberen, unteren, linken bzw. rechten Seitenfläche des Hauptkörpers 52 entsprechen und durchgehend mit den Hauptflächen 52a, 52b sind. Der Hauptkörper 52 ist zu einer rechteckigen Platte mit einem hohen Starrheitsmodul ausgebildet, um Übertragung einer spezifizierten Änderung von den Antriebsseitenarmen 53 zu den Ermittlungsseitenarmen 54 zu verhindern. In diesem Fall bedeutet die spezifizierte Änderung eine solche tangentiale Schwingung, dass die Antriebsseitenarme 53 in einer parallel zu der Hauptfläche 52a, 52b verlaufenden Ebene schwingen.
Die Antriebsseitenarme 53 bestehen aus zwei Erregungsantriebsseitenarmen 53a, 53b, die in einer entgegengesetzten Phase erregt werden, und einem Nichterregungsantriebsseitenarm 53c, eingefügt zwischen den Erregungsantriebsseitenarmen 53a, 53b. Diese Antriebsseitenarmen 53a, 53b, 53c stehen vertikal von der oberen Oberfläche 52c des Hauptkörpers 52 derart vor, dass sie auf Verlängerungen der Hauptflächen 52a, 52b liegen. Die Antriebsseitenarme 53a, 53b, 53c verlaufen parallel zueinander bei einem vorbestimmten Zwischenraum, und alle Dicken derselben sind gleich derjenigen des Hauptkörpers 52. Außerdem sind die Querschnitte der Antriebsseitenarme 53a, 53b, 53c beinahe quadratförmig.
Die Ermittlungsseitenarme 54 bestehen aus zwei Schwingungsermittlungsseitenarmen 54a, 54b, die in einer entgegengesetzten Phase schwingen, und einem Nichtschwingungsermittlungsseitenarm 54c, eingefügt zwischen den Schwingungsermittlungsseitenarmen 54a, 54b. Diese Ermittlungsseitenarme 54a, 54b, 54c stehen vertikal von der Bodenfläche 54d des Hauptkörpers 52 derart vor, dass sie auf Verlängerungen der Hauptflächen 52a, 52b liegen. Die Mittelachsen der Ermittlungsseitenarme 54a, 54b, 54c stimmen mit denjenigen der Antriebsseitenarme 53a, 53b bzw. 53c überein. Alle Dicken der Ermittlungsseitenarme 54a, 54b, 54c sind gleich derjenigen des Hauptkörpers 52. Außerdem sind die Querschnitte der Antriebsseitenarme 54a, 54b, 54c beinahe quadratförmig.
Als nächstes sollen die Anordnungen der Elektroden und Verdrahtungen zum Verbindung der Elektroden miteinander des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 16A, 16B, 16C, 17, 18 erläutert werden.
Die 16A, 16B, 16C zeigen eine Draufsicht, eine Vorderansicht bzw. eine Bodenansicht des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 17 ist ein Schaltbild zum Zeigen elektrischer Anschlüsse der an den Erregungsantriebsseitenarmen 53a, 53b ausgebildeten Treiberelektroden. 18 zeigt ein Schaltbild zum Zeigen der elektrischen Anschlüsse der an den Schwingungsermittlungsseitenarmen 54a, 54b ausgebildeten Ermittlungselektroden.
Wie in den 16A, 16B, 16C gezeigt ist, ist jeder der Erregungsantriebsseitenarme 53a, 53b mit den vier Treiberelektroden 55 versehen, so dass eine tangentiale Schwingung, die parallel zu den Hauptflächen 52a, 52b schwingt, in den Erregungsantriebsarmen 53a, 53b erregt wird. Andererseits, ist jeder der Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b mit den vier Ermittlungselektroden 56 versehen, so dass eine vertikal zu der Hauptfläche 52a, 52b schwingende vertikale Schwingung ermittelt wird.
Jede der Treiberelektroden 55 ist aus einem rechteckigen Metallblech mit vorbestimmten Abmessungen gebildet und erstreckt sich von einem Anfangende des Erregungsantriebsseitenarms 53a oder 53b zu einem Abschlussende desselben. Ein Paar Treiberelektroden 55 ist an jeder der Vorder- und Rückflächen jedes der Erregungsantriebsseitenarme 53, 53b angeordnet und verläuft entlang der Seitenränder derselben.
Wie in 17 gezeigt ist, sind die auf einer Diagonalen angeordneten Treiberelektroden 55 an eine Wechselstromver sorgung G in der gleichen Polarität angeschlossen. Die einander entgegengesetzt angeordneten Treiberelektroden 55 sind an die Wechselstromversorgung G in der entgegengesetzten Polarität angeschlossen. Die auf der gleichen Oberfläche angeordneten Treiberelektroden 55 sind an die Wechselstromversorgung G in der entgegengesetzten Polarität angeschlossen.
Außerdem sind die Treiberelektroden 55 des Erregungsantriebsseitenarms 53a und die Treiberelektroden 55 des Erregungsantriebsseitenarms 53b so an die Wechselstromversorgung G angeschlossen, dass die Erregungsantriebsseitenarme 53a, 53b in der entgegengesetzten Phase angetrieben werden.
Wie in den 16a, 16b, 16c gezeigt ist, ist jede einer Vorderfläche, einer Rückfläche, einer linken Seitenfläche und einer rechten Seitenfläche jedes der Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b mit einer Ermittlungselektrode 56 versehen, die aus einem rechteckigen Metallblech mit vorbestimmten Abmessungen gebildet ist und sich von Anfangsende des Schwingungsermittlungsseitenarms 54a oder 54b zu einem Abschlussende desselben erstreckt und entlang einer Mittellinie einer vertikalen Oberfläche so wie der Vorderfläche etc. verläuft.
In der obigen Beschreibung sind die Vorder- und Rückflächen parallel zu den Hauptflächen 52, 52b des Hauptkörpers 52, und die linken und rechten Oberflächen sind vertikal zu den Hauptflächen 52a, 52b.
Außerdem sind die beiden einander entgegensetzt angeordneten Ermittlungselektroden 56, wie in 18 gezeigt, an die Ermittlungseinrichtung (nicht gezeigt) in der gleichen Polarität angeschlossen.
Andererseits sind die einander benachbarten beiden Ermittlungselektroden 56 in der entgegengesetzten Polarität an die Ermittlungseinrichtung angeschlossen.
Die an den Schwingungsermittlungsseitenarmen 54a, 54b ausgebildeten Ermittlungselektroden 56 sind an die Ermittlungseinrichtung in der entgegengesetzten Polarität angeschlossen.
Bei dem auf diese Weise hergestellten piezoelektrischen Schwingungsgyroskop 51 sind, da das Material desselben anders als das des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 1 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform ist, das elektrische Feld zum Erregen der tangentialen Schwingung in den Erregungsantriebsseitenarmen 53a, 53b und das durch die vertikale Schwingung der Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b erzeugte elektrische Feld in der zweiten bevorzugten Ausführungsform anders als diejenigen in der ersten bevorzugten Ausführungsform; folglich gibt es zwischen der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform Unterschiede bei den Anordnungen der Treiberelektroden 55 und der Ermittlungselektroden 56.
Dementsprechend ist der Betrieb bei der Ermittlung der Rotationsgeschwindigkeit mittels des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 51 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform beinahe der gleiche wie derjenige mittels des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 1 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform unter der Ausnahme, dass Unterschiede zwischen der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform bei den elektrischen Feldern der Erregungsantriebsseitenarme 53a, 53b und der Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b während des Betriebs vorliegen.
Als nächstes soll ein Umriss eines Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 51 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erläutert werden. Eine Grundplatte des eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendenden, in 15 gezeigten piezoelektrischen Schwingungsgyroskops wird aus einer X-geschnittenen Langasitplatte durch ein Verfahren von Drahtschneiden herausgeschnitten. Die in den 16A, 16B, 16C gezeigten Treiberelektroden 55 und Ermittlungselektroden 56 werden als Au/Cu-bedampfte Elektroden durch die Verfahren von Verdampfung und Photolack gebildet.
Zum Erhalten des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 51 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform, der kein Störsignal-Ansprechverhalten aufweist und einen zufriedenstellenden Frequenzgang und eine schnelle Anstiegscharakteristik zeigt, ist es zweckdienlich, dass diese Einrichtung symmetrisch sowohl bezüglich der horizontalen als auch der vertikalen Achse ist, und die Dicke des Hauptkörpers 2 ähnlich wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform die gleiche wie die der Arme 53, 54 ist. Die Länge, die Breite und die Dicke des Hauptkörpers 52 der zweiten bevorzugten Ausführungsform 51 betragen 3 mm, 3 mm bzw. 0,34 mm, und die Länge, die Breite und die Dicke der Arme 53, 54 beträgt 4, 2 mm, 0, 3 mm bzw. 0, 34 mm.
Zum Erregen der tangentialen Schwingung in den Erregungsantriebsseitenarmen 53a, 53b bei einer hohen Effizienz durch Einprägen einer Spannung auf die Treiberelektroden 55 in der zweiten bevorzugten Ausführungsform, wird der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient als Funktion von äußeren Abmessungen (Länge und Breite) der Treiberelektroden 55 auf der Basis einer Annahme untersucht, dass die Erregungsantriebsseitenarme 53a, 53b als Freiträger angesehen werden können.
Als Ergebnis kann der hohe effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient in dem Fall erhalten werden, dass die Länge der Treiberelektrode 55 40 bis 70 Prozent derjenigen des Antriebsseitenarms beträgt, und die doppelte Breite der Treiberelektrode 55 (die Summe der Breiten der beiden Treiberelektroden 55) 30 bis 50 Prozent der Breite des Antriebsseitenarms beträgt, ähnlich den in den 12, 13 gezeigten Ergebnissen.
Ähnlich der oben erwähnten Überlegung wird das Verhältnis zwischen dem effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und der Größe der Ermittlungselektrode auf der Grundlage einer Annahme analysiert, dass die Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b als Freiträger angesehen werden können, und die Größe der Ermittlungselektrode 56, welche die Ermittlungsempfindlichkeit maximiert, wird vorherbestimmt .
Als Ergebnis kann bestätigt werden, dass der effektive elektromechanische Kopplungskoeffizient in dem Fall hoch wird, dass die Länge der Ermittlungselektrode 56 40 bis 70 Prozent der Länge des Ermittlungsseitenarms 54 beträgt und die Breite der Ermittlungselektrode 56 50 bis 70 Prozent der Breite des Ermittlungsseitenarms 54 beträgt, ähnlich den in den 9, 10 gezeigten Ergebnissen.
Außerdem ist es zum Erhalten des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops mit einem zufriedenstellenden Frequenzgang und hoher Ermittlungsempfindlichkeit unverzichtbar, dass eine Differenz in der Resonanzfrequenz zwischen der Antriebs- und Ermittlungsschwingungsart (eine versetzte Abstimmung (off-tuning)) ähnlich zu der ersten bevorzugten Ausführungsform vorliegt. In diesem Fall kann die Einstellung der Resonanzfrequenzen in einer ähnlichen Weise wie derjenigen bei der ersten bevorzugten Ausführungsform durchgeführt werden. Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform beträgt die Differenz in der Resonanzfrequenz zwischen dem Antriebsschwingungsmodus (der gleiche wie der in 6 gezeigte Antriebsschwingungsmodus) und dem Ermittlungsschwingungsmodus (der gleiche wie der in 7 gezeigte Ermittlungsschwingungsmodus) 90 Hz.
Da bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform die gesamte Struktur des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops 51 symmetrisch sowohl bezüglich der horizontalen als auch der vertikalen Achse ist, beträgt die Verschiebung des Schwerpunktes weniger als 0,01 Prozent der maximalen Verschiebungen der Erregungsantriebsseitenarme 53a, 53b oder der Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b, und das piezoelektrische Schwingungsgyroskop 51 kann an seinem Schwerpunkt unter Aufrechterhaltung einer hohen Stabilität ähnlich zu der ersten bevorzugten Ausführungsform abgestützt werden. Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist das in 14 gezeigte Stützelement 20 aus Polymidharz gebildet.
Wenn das eine doppelte Dreizackstimmgabel verwendende piezoelektrische Schwingungsgyroskop 51 an seinem Schwerpunkt abgestützt wird, wird der mechanische Qualitätsfaktor dieser Einrichtung wie oben erwähnt nur um einen Faktor von weniger als 0,3 abgesenkt, und eine Verlustzunahme der Schwingung wird fast nicht beobachtet.
Außerdem beträgt die Differenz in der Resonanzfrequenz des Antriebsschwingungsmodus (die tangentiale Schwingung) oder des Ermittlungsschwingungsmodus (die vertikale Schwingung) zwischen dem nichtabgestützten und abgestützten piezoelektrischen Schwingungsgyroskop weniger als 5 Hz.
Das aus einem Einkristalllangasit gebildete piezoelektrische Schwingungsgyroskop 51 wird durch das in 14 gezeigte Verfahren abgestützt und dadurch wird eine Rotationsgeschwindigkeit ermittelt. Die Erfinder bestätigen, dass eine hohe Ermittelungsempfindlichkeit von 0,7 mV (Grad/s) erhalten werden kann.
Übergehend zur Betrachtung der Tatsache, dass die Verschiebungen in der Schwingung des Nichterregungsantriebsseiten arms 53C und des Nichtschwingungsermittlungsseitenarms 54C extrem klein bei dem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop 51 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform sind, sehen die Erfinder das erste und zweite Stützelement für das piezoelektrischen Schwingungsgyroskop 51 vor, wobei das erste Stützelement an der ersten Grenze zwischen dem Nichterregungsantriebsseitenarm 53c und dem Hauptkörper 52 angeordnet wird, und das zweite Stützelement an der zweiten Grenze zwischen dem Hauptkörper 52 und dem Nichtschwingungsermittlungsseitenarm 54c angeordnet wird. Dem vorgenannten Verfahren zufolge kann das piezoelektrische Schwingungsgyroskop 51 unter Aufrechterhaltung einer hohen Stabilität ähnlich dem in 14 gezeigten Verfahren abgestützt werden, bei dem diese Einrichtung an ihrem Schwerpunkt abgestützt wird.
Wie oben ausgeführt, wird bei dem piezoelektrischen Schwingungsgyroskop 51 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform, da nur der Ermittlungsschwingungsmodus in den Schwingungsermittlungsseitenarmen 54a, 54b ähnlich zu der ersten bevorzugten Ausführungsform erregt wird, eine die Funktion der Einrichtung behindernde Schwingungsmodus fast nicht erregt. Da die Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b ausreichend von den Erregungsantriebsseitenarmen 53a, 53b entfernt sind, ist außerdem eine elektrostatische Kopplung zwischen denselben geringfügig, und die Ermittlung kann unter einem hohen Rauschabstand durchgeführt werden.
Da das piezoelektrische Gyroskop gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform symmetrisch sowohl bezüglich der horizontalen als auch der vertikalen Achse ist, erfolgt die Schwingung des Schwerpunkts desselben nicht unähnlich der konventionellen Einrichtung, folglich kann das piezoelektrische Schwingungsgyroskop 51 unter Aufrechterhaltung einer hohen Stabilität abgestützt werden.
Da die Verschiebungen der Schwingung der Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b mehrere Male so groß wie diejenigen der Erregungsantriebsseitenarme 53a, 53b sind, kann darüber hinaus eine hohe Ermittlungsempfindlichkeit erzielt werden.
Obwohl die Ermittlungselektroden 56 für beide Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b in der zweiten bevorzugten Ausführungsform zum Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit vorgesehen sind, kann der gleiche Zweck durch die Struktur erzielt werden, bei der die Ermittlungselektroden 56 für einen der Schwingungsermittlungsseitenarme 54a, 54b vorgesehen sind.
Obwohl das aus Z-geschnittenem Langasit oder X-geschnittenem Langasit gebildete piezoelektrische Schwingungsgyroskop in den vorhergehenden Beschreibungen erläutert wurde, ist die Anwendung der Erfindung nie auf die vorgenannten Beispiele beschränkt, und ein ähnlicher Effekt kann durch ein piezoelektrischen Schwingungsgyroskop erzielt werden, das aus X-geschnittenem Quarz, Z-geschnittenem Quarz, 130°-rotiertem Y-Platten-Lithiumtantalit oder piezoelektrischer Keramik einheitlich in der Dickenrichtung polarisiert gebildet wird.
Da die Rotationsgeschwindigkeit unter einem hohen Rauschabstand ermittelt werden kann, kann der Erfindung zufolge wie oben erwähnt die Rotationsgeschwindigkeit mit hoher Auflösung ermittelt werden, und eine Rotationsgeschwindigkeit unter derjenigen der Rotation der Erde kann ermittelt werden.
Da die gesamte Struktur des piezoelektrischen Schwingungsgyroskops symmetrisch sowohl bezüglich der horizontalen als auch der vertikalen Achse ist, kann diese Einrichtung an ihrem Schwerpunkt unter Aufrechterhaltung hoher Stabilität abgestützt werden.
Da der elektromechanische Kopplungskoeffizient zwischen einem Antrieb in den Erregungsantriebsseitenarmen und einer Ermittlung in den Schwingungsermittlungsseitenarmen durch Optimierung der Abmessungen der Elektroden erhöht werden kann und die Verschiebungen der Schwingungsermittlungsseitenarme mehrere Male so groß wie diejenigen der Erregungsantriebsseitenarme ist, kann die Rotationsgeschwindigkeit bei hoher Empfindlichkeit ermittelt werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine spezielle Ausführungsform für vollständige und deutliche Offenbarung beschrieben wurde, sind die anliegenden Patentansprüche nicht auf diese Weise begrenzt, sondern sind ausgelegt, um alle Abwandlungen und alternativen Konstruktionen zu verkörpern, die Fachleuten in diesem Gebiet einfallen können, welche in die hier aufgeführten Grundlehren fallen.

Claims

Piezoelektrisches Schwingungsgyroskop, umfassend: einen Hauptkörper, der zu einer rechteckigen Platte geformt und mit Vorder- und Rückflächen versehen ist, und eine erste und zweite Gruppe von drei Armen, die von dem Hauptkörper in entgegengesetzte Richtungen vorstehen und auf Verlängerungen der Vorder- und Rückflächen liegen, wobei der Hauptkörper und die erste und zweite Gruppe der drei Arme aus piezoelektrischem Material gebildet sind, die erste Gruppe der drei Arme aus zwei Erregungsantriebsseitenarmen, die in einer entgegengesetzten Phase erregt werden, und einem Nichterregungsantriebsseitenarm besteht, der zwischen den beiden Erregungsantriebsseitenarmen eingefügt ist und nicht zu Schwingungen angeregt wird, die zweite Gruppe der drei Arme aus zwei Schwingungsermittlungsseitenarmen, die in einer entgegengesetzten Phase schwingen, und einem Nichtschwingungsermittlungsseitenarm besteht, der zwischen den beiden Schwingungsermittelungsseitenarmen eingefügt ist und nicht zur Schwingungsermittlung dient, die beiden Erregungsantriebsseitenarmejeweils mit Treiberelektroden zum Erregen einer tangentialen Schwingung versehen sind, die parallel zu den Vorder- und Rückflächen schwingt, und die beiden Schwingungsantriebsseitenarmejeweils mit Ermittlungselektroden zum Ermitteln einer vertikalen Schwingung versehen sind, die vertikal zu den Vorder- und Rückflächen schwingt.
Piezoelektrisches Schwingungsgyroskop nach Anspruch 1, bei dem: die Erregungs- und Nichterregungsantriebsseitenarme und die Schwingungs- und Nichtschwingungsermittlungsseitenarme entweder aus Z-geschnittenem Quarz oder einem Z-geschnittenen Langasit gebildet sind und einen rechteckig geformten Querschnitt haben, jede der vorderen, hinteren, rechten und linken Seitenflächen jedes der Erregungsantriebsseitenarme mit einer Treiberelektrode versehen ist, die sich aus der Nähe eines Fußpunktes des Erregungsantriebsseitenarms zum Hauptkörper in Richtung auf das andere Ende desselben erstreckt und entlang einer Mittellinie der Seitenfächen verläuft und vorbestimmte Abmessungen aufrechterhält, und jede der rechten und linken Oberflächen jedes der Schwingungsermittlungsseitenarme mit einem Paar streifenförmiger Ermittlungselektroden mit den gleichen Abmessungen versehen ist, das sich von der Nähe eines Fußpunktes des Schwingungsermittlungsseitenarms zum Hauptkörper in Richtung auf das andere Ende desselben erstreckt und entlang beider Seitenränder der vertikalen Oberfläche verläuft und vorbestimmte Abmessungen aufrechterhält.
Piezoelektrisches Schwingungsgyroskop nach Anspruch 1, bei dem: die Erregungs- und Nichterregungsantriebsseitenarme und die Schwingungs- und Nichtschwingungsermittlungsseitenarme aus Material einer Art gebildet werden, die von X-geschnittenem Quarz, X-geschnittenem Langasit, und 130°-rotiertem Y-Platten-Lithiumtantalat ausgewählt ist, und einen rechteckigen Querschnitt haben, jede der Vorder- und Rückflächen jedes der Erregungsantriebsseitenarme mit einem Paar streifenförmiger Treiberelektroden mit den gleichen Abmessungen versehen ist, das sich von der Nähe eines Fußpunktes des Erregungsantriebsseitenarms zum Hauptkörper in Richtung auf das andere Ende desselben erstreckt und entlang beider Seitenränder der Vorder- oder Rückfläche verläuft und vorbestimmte Abmessungen aufrechterhält, und jede der Vorder-, Rück-, linken Seiten- und rechten Seitenflächen jedes der Schwingungsermittlungsseitenarme mit einer Ermittlungselektrode versehen ist, die sich von der Nähe eines Fußpunktes des Schwingungsermittlungsarms zum Hauptkörper in Richtung auf das andere Ende desselben erstreckt, entlang einer Mittellinie der Seitenflächen verläuft und vorbestimmte Abmessungen aufrechterhält.
Piezoelektrisches Schwingungsgyroskop nach Anspruch 2 oder 3, bei dem: die Länge der Treiberelektrode vierzig bis siebzig Prozent derjenigen des Erregungsantriebsseitenarms beträgt, die doppelte Breite der Treiberelektrode dreißig bis fünfzig Prozent einer Breite des Erregungsantriebsseitenarms beträgt, die Länge der Ermittlungselektrode vierzig bis siebzig Prozent derjenigen des Schwingungsermittlungsseitenarms beträgt und die Breite der Ermittlungselektrode fünfzig bis siebzig Prozent derjenigen des Schwingungsermittlungsseitenarms beträgt.
Piezoelektrisches Schwingungsgyroskop nach Anspruch 1, bei dem: das piezoelektrische Schwingungsgyroskop mit einem ersten und zweiten Stützelement versehen ist, wobei: das erste Stützelement an der ersten Grenze zwischen dem Nichterregungsantriebsseitenarm und dem Hauptkörper angeordnet ist und ein zweites Stützelement an der zweiten Grenze zwischen dem Hauptkörper und dem Nichtschwingungsermittlungsseitenarm angeordnet ist.
Piezoelektrisches Schwingungsgyroskop nach Anspruch 1, bei dem: das piezoelektrische Schwingungsgyroskop mit einem Stützelement versehen ist, dass an dem Schwerpunkt desselben angeordnet ist.
Piezoelektrischer Schwingungsgyroskop nach Anspruch 1, bei dem zum Einstellen einer Differenz in einer Resonanzfrequenz zwischen einer tangentialen Schwingung und einer vertikalen Schwingung eines piezoelektrischen Schwingungsgyroskops, vier Ecken des Hauptkörpers abgeschnitten sind.