DE19544338A1 - Winkelgeschwindigkeitssensor - Google Patents
WinkelgeschwindigkeitssensorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelge
schwindigkeitssensor, welcher zum Beispiel für ein Fahr
zeugbewegungs-Steuersystem, ein Navigationssystem und eine
Videokamera, um die Handbewegung des Bedieners zu kompen
sieren, verwendet werden kann, und insbesondere einen Win
kelgeschwindigkeitssensor, welcher die Winkelgeschwindig
keit unter Verwendung eines Schwingungserzeugers erfaßt,
der aus piezoelektrischem Material besteht.
Die Japanische Patentanmeldung Nr. Sho 61-294311 offen
bart einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der einen Schwin
gungserzeuger aufweist, der aus piezoelektrischem Material
besteht. Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor weist der
Schwingungserzeuger eine Form einer Abstimmgabel auf und
wird bei einer konstanten Frequenz zum Schwingen gebracht.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf den Schwingungserzeuger
ausgeübt wird, wird die in dem Schwingungserzeuger erzeugte
Corioliskraft aus Änderungen der Schwingungen des Schwin
gungserzeugers erfaßt. Bei einem solchen Winkelgeschwindig
keitssensor können Elektroden, die verursachen, daß der
Schwingungserzeuger schwingt, und die die Corioliskraft er
fassen, an der Seite jedes Schenkels des Schwingungserzeu
gers angebracht sein. Ein solcher Sensor weist den Vorteil
auf, daß er weniger Teile aufweist, daß er eine einfachere
Struktur aufweist und somit einfacher herzustellen ist, als
der herkömmlich verwendete Winkelgeschwindigkeitssensor,
welcher durch ein Befestigen des piezoelektrischen Materi
als an der Oberfläche eines metallischen Schwingungserzeu
gers ausgebildet ist.
Bei dem in der vorhergehend erwähnten Druckschrift of
fenbarten herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor ist
jedoch eine Ansteuerelektrode auf einem der Schenkel ausge
bildet und eine Erfassungselektrode ist auf dem anderen
Schenkel ausgebildet. Von der Ansteuerelektrode erzeugte
Schwingungen werden von dem einen Schenkel zu dem anderen
Schenkel übertragen und die Schwingungen des anderen Schen
kels werden von der Erfassungselektrode erfaßt. Da die
Härte des Schenkels, der die Ansteuerelektrode aufweist,
während Schwingungen allmählich verändert wird, wird eine
Härtedifferenz zwischen dem Schenkelpaar erzeugt. Die
Schwingungen der Schenkel werden aufgrund der Härtediffe
renz unausgeglichen und deshalb verschlechtert sich die
Schwingungscharakteristik des Schwingungserzeugers. Als Er
gebnis sind Rauschsignale in dem Erfassungssignal beinhal
tet und somit vermindert sich das Signal/Rausch-Verhältnis
bzw. S/N-Verhältnis des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Bei dem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor wird
ebenso die Symmetrie der Schwingung zwischen dem Schenkel
paar gebrochen, da der Sensor durch ein Ansteuern des einen
Schenkels als Ganzes zum Schwingen gebracht wird. Deshalb
wird die Schwingung über ein Trägerteil, welches den
Schwingungserzeuger an seiner Mitte hält, nach außen über
tragen. Auf Grund dessen verringert sich ebenso das Si
gnal/Rausch-Verhältnis des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Desweiteren ist die Dicke des piezoelektrischen Materi
als zwischen den Erfassungselektroden viel größer, da der
Schwingungserzeuger aus piezoelektrischem Material ausge
bildet ist, und somit wird seine Kapazität weniger als ein
Hundertstel als die des Winkelgeschwindigkeitssensors, wel
cher durch ein Befestigen eines piezoelektrischen Elements
an einem metallischen Schwingungserzeuger ausgebildet ist.
Als Ergebnis besteht die Neigung, daß Rauschkomponenten in
dem Erfassungssignal vorhanden sind, wenn eine Eingangs
schaltung, welche das Erfassungssignal aus der Erfassungs
elektrode aufnimmt, einen elektrischen Strom, der durch die
Erfassungselektrode fließt, unter Verwendung eines Wider
stands, wie er herkömmlich verwendet wird, zu einem Span
nungssignal wandelt. Deshalb verschlechtert sich, vergli
chen mit dem Winkelgeschwindigkeitssensor, welcher durch
ein Befestigen eines piezoelektrischen Elements an einem
metallischen Schwingungserzeuger ausgebildet ist, das Si
gnal/Rausch-Verhältnis des Winkelgeschwindigkeitssensors.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß
darin, die vorhergehenden Probleme zu lösen und in einem
Winkelgeschwindigkeitssensor, in welchem die Winkelge
schwindigkeit durch einen Schwingungserzeuger erfaßt wird,
der aus piezoelektrischem Material besteht, das Si
gnal/Rausch-Verhältnis bzw. S/N-Verhältnis zu verbessern
und eine Winkelgeschwindigkeit genau zu erfassen.
Um diese Aufgabe zu lösen, weist der Winkelgeschwindig
keitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung einen Schwin
gungserzeuger auf, der aus piezoelektrischem Material be
steht und eine Form einer Abstimmgabel aufweist, wobei die
Abstimmgabel durch einen Verbindungsabschnitt und ein
Schenkelpaar ausgebildet ist, das erste Enden aufweist, die
mit dem Verbindungsabschnitt verbunden sind. Zwei Ansteuer
elektroden sind jeweils auf einer der U-förmigen Seitenflä
chen des Schenkels des Schwingungserzeugers angebracht.
Mindestens eine Erfassungselektrode ist zwischen den An
steuerelektroden und Spitzenabschnitten des Schenkelpaares
auf dem Schenkelpaar angebracht, um in Übereinstimmung mit
Schwingungen von mindestens einem der zwei Schenkel in ei
ner Richtung, die senkrecht zu einer Ebene verläuft, in
welcher die Schenkel liegen, ein Signal zu erzeugen. Eine
gemeinsame Elektrode ist auf der anderen der U-förmigen
Seitenflächen an dem Schenkelpaar angebracht, so daß die
Ansteuerelektroden und die gemeinsame Elektrode das Schen
kelpaar beidseitig umfassen. Eine Ansteuervorrichtung ver
ursacht durch ein Anlegen einer Wechselspannung zwischen
dem Ansteuerelektrodenpaar und der gemeinsamen Elektrode,
daß der Schwingungserzeuger in der Ebene schwingt, die das
Schenkelpaar enthält. Eine Erfassungsvorrichtung erfaßt ei
ne Winkelgeschwindigkeit um eine vorbestimmte Achse auf der
Grundlage eines Signals, das von der Erfassungselektrode
erzeugt wird.
Gemäß dem vorhergehend beschriebenen Winkelgeschwindig
keitssensor bleiben die Härten der Schenkel die gleichen,
da die Ansteuerelektroden verursachen, daß beide Schenkel
schwingen, und die Ansteuerelektroden verursachen, daß die
Schenkel gleichmäßig schwingen, womit verhindert wird, daß
die Schwingung des Schwingungserzeugers über den Verbin
dungsabschnitt nach außen übertragen wird. Aus diesen Grün
den kann der Schwingungserzeuger durch ein Anlegen einer
ziemlich niedrigen Ansteuerspannung an die Ansteuerelektro
den wirkungsvoll zum Schwingen gebracht werden und das Er
fassungssignal weist verringerte Rauschkomponenten auf, wo
durch das Signal/Rausch-Verhältnis des Winkelgeschwindig
keitssensors verbessert wird.
Eine Ansteuerelektrode kann sich durch den Verbindungs
abschnitt durchgängig von einem Schenkel zu dem anderen
ausdehnen und die andere Ansteuerelektrode kann sich durch
gängig parallel zu der ersten Ansteuerelektrode ausdehnen.
Da die Ansteuerspannungen, welche an die Ansteuerelektroden
jedes Schenkels angelegt werden, gleichmäßig sind, sind die
Schwingungen in jedem Schenkel ausgeglichen und jeder
Schenkel kann symmetrisch mit der gleichen Schwingungscha
rakteristik schwingen. Es ist möglich, die Verschlechterung
des Signal/Rausch-Verhältnisses des Winkelgeschwindigkeits
sensors aufgrund einer solchen Gleichmäßigkeit der Ansteu
erspannungen zu verhindern.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorlie
genden Erfindung kann eine Signalverarbeitungsschaltung
vorgesehen sein. Die Signalverarbeitungsschaltung ist aus
einem Differentialverstärker oder einem Abgleichsdifferen
tialverstärker zusammengesetzt, welcher eine Differential
verstärkung oder eine Abgleichsdifferentialverstärkung für
ein Erfassungssignal durchführt, das durch ein Wandeln ei
nes elektrischen Stroms, der durch die Erfassungselektrode
fließt, in ein Spannungssignal erzielt wird. Gemäß der vor
liegenden Erfindung kann die Signalverarbeitungsschaltung
deshalb unter Verwendung eines Operationsverstärkers oder
dergleichen einfach zusammengesetzt sein.
Eine Überwachungselektrode kann auf einer U-förmigen
Seitenfläche der Schenkel zwischen den Ansteuerelektroden
und der Erfassungselektrode vorgesehen sein. Ein Überwa
chungssignal aus der Überwachungselektrode, welches die
Schwingungszustände der Schenkel zeigt, wird zum Erfassen
der Winkelgeschwindigkeit und zum Erzeugen des Ansteuersi
gnals verwendet. Das heißt, Schwingungszustände der Schen
kel werden auf der Grundlage des Überwachungssignals er
faßt. Wenn das Überwachungssignal an die Erfassungsvorrich
tung angelegt wird, vergleicht die Erfassungsvorrichtung
die Phase des Überwachungssignals, das als ein Referenzsi
gnal dient, mit der des Erfassungssignals. Die Erfassungs
vorrichtung kann die Schwingungszustände der Schenkel, die
von einer Corioliskraft erzeugt werden, und auf der Grund
lage der Schwingungszustände der Schenkel eine Winkelge
schwindigkeit erfassen. Wenn das Überwachungssignal ebenso
an die Ansteuervorrichtung angelegt wird und als ein ande
res Referenzsignal für eine eigenerregte Schwingung verwen
det wird, kann die Ansteuervorrichtung das Ansteuersignal
erzeugen, um zu verursachen, daß jeder Schenkel bei einer
vorbestimmten Frequenz schwingt. Insbesondere kann die
Überwachungselektrode in einem bevorzugten Ausführungsbei
spiel durch ein Positionieren der Überwachungselektrode
zwischen der Ansteuerelektrode, welche zu dem Verbindungs
abschnitt der Schenkel hin angebracht ist, und der Erfas
sungselektrode, welche zu dem Spitzenabschnitt der Schenkel
hin angebracht ist, verhindern, daß das Ansteuersignal, das
an die Ansteuerelektrode angelegt wird, die Erfassungselek
trode beeinträchtigt.
Wenn die Erfassungsvorrichtung die Phasen des Erfas
sungssignals und des Überwachungssignals vergleicht, wird
es bevorzugt, daß diese Signale unter Verwendung eines
Strom/Spannungs-Wandlers, der einen Operationsverstärker
beinhaltet, von elektrischen Stromsignalen in Spannungssi
gnale gewandelt werden, bevor diese Signale an die Erfas
sungsvorrichtung angelegt werden. Wenn ein typischer
Strom/Spannungs-Wandler verwendet wird, welcher einen Wi
derstand beinhaltet, verursacht dies nicht nur, daß sich
das Signal/Rausch-Verhältnis des Erfassungssignals ver
schlechtert, sondern verursacht ebenso eine Phasendifferenz
zwischen einer tatsächlichen Bewegung einer Schwingung und
den Überwachungs- und Erfassungssignalen, da eine Parallel
schaltung des Widerstands und der Kapazität, die aus dem
piezoelektrischen Material besteht, erzeugt wird. Um die
Winkelgeschwindigkeit durch ein synchrones Demodulieren des
Erfassungssignals unter Verwendung des Überwachungssignals
als ein Referenzsignal zu erfassen, müssen die Phasen jedes
Signals der Phase der tatsächlichen Schwingung der Schenkel
entsprechen. Aus diesem Grund wird eine komplexe Struktur
für die Erfassungsvorrichtung benötigt. Da jedoch die
Strom/Spannungs-Wandler, die Operationsverstärker beinhal
ten, verwendet werden, um Stromsignale in Spannungssignale
zu wandeln, tritt mit diesen Wandlern keine Phasendifferenz
auf, und somit kann die Winkelgeschwindigkeit einfach und
genau in der Erfassungsvorrichtung erfaßt werden.
Aus dem gleichen Grund, wie er vorhergehend beschrieben
worden ist, wird es bevorzugt, das Überwachungssignal durch
einen Strom/Spannungs-Wandler, welcher einen Operationsver
stärker aufweist, von einem Stromsignal in ein Spannungssi
gnal zu wandeln, bevor die Ansteuervorrichtung das Überwa
chungssignal aufnimmt.
Des weiteren kann in einer Signalübertragungsleitung ei
ne Filtervorrichtung vorgesehen sein, in welcher das An
steuersignal auf der Grundlage des Überwachungssignals er
zeugt wird, um ein Abschneiden von Rauschkomponenten zu er
halten, die anders als die Frequenzkomponenten sind, welche
notwendig sind, um zu verursachen, daß die Schenkel schwin
gen. Deshalb kann das Ansteuersignal selbst dann ohne den
Einfluß von Rauschkomponenten erzeugt werden, wenn Rausch
komponenten in dem Überwachungssignal beinhaltet sind. Als
Ergebnis wird verursacht, daß die Schenkel richtig schwin
gen, und das Signal/Rausch-Verhältnis des Ansteuersignals
kann verbessert werden. Die Filtervorrichtung ist aus einem
Bandpaßfilter oder einer Kombination von mehreren Tiefpaß
filtern zusammengesetzt. Wenn die Filtervorrichtung aus ei
ner Kombination von mehreren Tiefpaßfiltern zusammengesetzt
ist, sind die Tiefpaßfilter so kombiniert, daß sich die
Phase des Ansteuersignals nicht verschiebt.
Die Signalübertragungsleitung von der Erfassungselek
trode oder der Überwachungselektrode zu dem Strom/Span
nungs-Wandler kann mit einer Referenzspannung oder einer
Massespannung des Winkelgeschwindigkeitssensors abgeschirmt
sein. Diese Struktur kann verhindern, daß äußeres Rauschen
die Signalübertragungsleitung erreicht. Da kein äußeres
Rauschen in dem Erfassungssignal oder dem Überwachungssi
gnal, das durch den Strom/Spannungs-Wandler erzeugt wird,
beinhaltet ist, kann das Signal/Rausch-Verhältnis des Win
kelgeschwindigkeitssensors verbessert werden.
Es wird bevorzugt, daß die Anordnung der Ansteuerelek
trode, der Überwachungselektrode und der Erfassungselektro
de, die an jedem Schenkel angebracht ist, symmetrisch zu
einander ist, und daß die Verdrahtung dieser Elektroden
ebenso symmetrisch ist. Gemäß dieser Struktur wird jeder
Schenkel unter den gleichen Bedingungen zum Schwingen ge
bracht und das Erfassungssignal wird von jedem Schenkel un
ter den gleichen Bedingungen erzielt. Deshalb werden durch
ein Mischen dieser Signale unter Verwendung eines Differen
tialverstärkers oder dergleichen Rauschkomponenten ausge
löscht und ein Erfassungssignal verdoppelt sich entspre
chend der in jedem Schenkel erzeugten Corioliskraft in der
Amplitude.
Eine Mehrzahl von Überwachungselektroden kann auf jedem
Schenkel angebracht sein. In diesem Fall wird eine der
Mehrzahl von Überwachungselektroden verwendet, um das Über
wachungssignal zu erzeugen und der Rest davon wird an der
Referenzspannung des Überwachungssignals oder der Masse
spannung des Winkelgeschwindigkeitssensors gehalten. Gemäß
dieser Struktur können Überwachungselektroden, die nicht
zum Erzeugen des Überwachungssignals verwendet werden, die
Ansteuerelektrode von der Erfassungselektrode abschirmen.
Deshalb können die Überwachungselektroden verhindern, daß
das Ansteuersignal das Erfassungssignal beeinträchtigt.
Es wird bevorzugt, daß Spalte zwischen angrenzenden
Elektroden auf den Schenkeln auf 0.1 mm oder mehr einge
stellt werden. Dies wird auf Grund dessen durchgeführt, da
leicht eine Migration bzw. Verschiebung bzw. Wanderung ent
steht, wenn die Spalte kleiner als dieser Wert sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich
nung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gesamtstruk
tur eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine eine Struktur eines Schwingungserzeugers
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellende perspek
tivische Ansicht;
Fig. 3 eine die Anbringung des Schwingungserzeugers an
einem Substrat darstellende perspektivische Ansicht;
Fig. 4A bis 4E eine Struktur des Schwingungserzeu
gers darstellende Ansichten, wobei Fig. 4A eine Vorderan
sicht, Fig. 4B eine Ansicht der linken Seite, Fig. 4C eine
Ansicht der rechten Seite, Fig. 4D eine Rückansicht und
Fig. 4E eine Draufsicht zeigt;
Fig. 5 ein eine Struktur einer Eingangsschaltung gemäß
dem ersten Ausführungsbeispiel darstellendes Blockschalt
bild;
Fig. 6 ein eine Struktur einer Eingangsschaltung im
Stand der Technik darstellendes Blockschaltbild;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Abänderung
einer an die Elektroden angeschlossenen Verdrahtung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer anderen Ab
änderung, bei welcher die Signalübertragungsleitungen von
den Elektroden zu den Eingangsschaltungen durch Abschirm
elektroden abgeschirmt sind;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer anderen Ab
änderung einer Verarbeitungsschaltung für das Überwachungs
signal;
Fig. 10A eine eine Struktur, in welcher Abschirmelek
troden um die Erfassungselektrode vorgesehen sind, darstel
lende perspektivische Ansicht;
Fig. 10B eine schematische Darstellung einer Polarisa
tionsrichtung des piezoelektrischen Materials;
Fig. 10C eine schematische Darstellung einer Polarisa
tionsrichtung des piezoelektrischen Materials;
Fig. 11A bis 11D eine Struktur eines in Fig. 10A ge
zeigten Schwingungserzeugers darstellende Ansichten, wobei
Fig. 11A eine Vorderansicht, Fig. 11B eine Ansicht der lin
ken Seite, Fig. 11C eine Ansicht der rechten Seite, und
Fig. 11D eine Rückansicht zeigt;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Struktur
eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel;
Fig. 13 eine schematische Darstellung der Erfassungs
theorie der Winkelgeschwindigkeit gemäß dem zweiten Ausfüh
rungsbeispiel;
Fig. 14 eine eine Struktur eines Schwingungserzeugers
gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel darstellende per
spektivische Ansicht;
Fig. 15 eine schematische Darstellung der Gesamtstruk
tur eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel;
Fig. 16 eine eine Struktur eines Winkelgeschwindig
keitssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel dar
stellende perspektivische Ansicht;
Fig. 17A und 17B eine Struktur eines Winkelgeschwindig
keitssensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel dar
stellende Ansichten, wobei Fig. 17A eine Vorderansicht und
Fig. 17B eine Seitenansicht zeigt;
Fig. 18 eine schematische Darstellung der Bewegung des
Schwingungserzeugers des Winkelgeschwindigkeitssensors;
Fig. 19 eine schematische Darstellung von Abmessungen
eines Sockelabschnitts bzw. Trägerabschnitts bzw. Basisab
schnitts 410 und eines Verbindungsabschnitts 432 eines Be
festigungsteils;
Fig. 20 einen die Beziehung zwischen der Amplitude des
Schwingungserzeugers und der Dicke des Verbindungsab
schnitts 432 darstellenden Graph;
Fig. 21 eine eine Struktur eines Winkelgeschwindig
keitssensors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel dar
stellende perspektivische Ansicht;
Fig. 22A bis 22E Abänderungen eines Befestigungs
teils 506 darstellende perspektivische Ansichten;
Fig. 23A und 23B das Verfahren eines Verbindens des
Schwingungserzeugers und des Befestigungsteils gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel darstellende perspektivische
Ansichten;
Fig. 24A bis 24E eine Struktur des Schwingungserzeu
gers gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel darstellende An
sichten, wobei Fig. 24A eine Vorderansicht, Fig. 24B eine
Ansicht der linken Seite, Fig. 24C eine Ansicht der rechten
Seite, Fig. 24D eine Rückansicht und Fig. 24E eine Drauf
sicht zeigt;
Fig. 25 eine einen durch das Befestigungsteil an einem
Substrat befestigten Schwingungserzeuger darstellende per
spektivische Ansicht; und
Fig. 26A und 26B eine schematische Darstellung einer
die Leitung eines elektrischen Stroms zwischen einer ge
meinsamen Elektrode und einem Befestigungsteil betreffenden
Theorie.
Im weiteren Verlauf werden bevorzugte Ausführungsbei
spiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die
beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines ersten be
vorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, weist der Winkelgeschwin
digkeitssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel einen
Schwingungserzeuger 2 auf, welcher die Form einer Abstimm
gabel aufweist und an welchen mehrere Elektroden angebracht
sind. Eine Ansteuer- und Erfassungsschaltung 20 verursacht
durch die Elektroden, die an den Schwingungserzeuger 2 an
gebracht sind, daß der Schwingungserzeuger 2 schwingt, und
erfaßt aus den Schwingungen des Schwingungserzeugers 2 eine
Winkelgeschwindigkeit Ωz um die in Fig. 1 gezeigte Z-
Achse. Der Schwingungserzeuger 2, wie er in Fig. 2 und 3
gezeigt ist, weist ein Schenkelpaar 4 und 6, welches aus
piezoelektrischem Material besteht, und einen Verbindungs
abschnitt 8 auf, der eines der Enden der Schenkel 4 und 6
verbindet. Ein Trägerteil 9 dehnt sich von der Mitte des
Verbindungsabschnitts 8 auf eine den Schenkeln 4 und 6 ge
genüberliegende Seite aus. Der Schwingungserzeuger 2 ist
durch das Trägerteil 9 an einem Substrat 10 befestigt.
Die Schenkel 4 und 6 und der Verbindungsabschnitt 8 sind
alle ein viereckiges Prisma. Der Schwingungserzeuger 2 ist
so an dem Substrat 10 befestigt, daß beide U-förmigen Flä
chen X1 und X2 parallel zu einer Oberfläche des Substrats
10 verlaufen. Ein keramisches piezoelektrisches Material,
wie zum Beispiel PZT, Kristall oder dergleichen, kann als
ein piezoelektrisches Material verwendet werden, das den
Schwingungserzeuger 2 ausbildet. In dem bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiel wird PZT verwendet, da eine Polarisations
richtung wie erwünscht eingestellt werden kann und eine
Herstellung einfach ist.
Die Fläche X1, die in Fig. 4A gezeigt ist, weist daran
angebrachte Ansteuerelektroden 12a und 12b, Überwachungs
elektroden 14a bis 14d und Elektroden 16a und 16b für eine
Polarisation in der Reihenfolge von dem Verbindungsab
schnitt 8 zu der Spitze auf. Auf den Flächen Y1 und Y2,
welche die äußeren rechten und linken Oberflächen der
Schenkel 4 und 6 sind, wie es in Fig. 4B und 4C gezeigt
ist, sind Erfassungselektroden 18a und 18b an einer Positi
on angebracht, die den Elektroden 16a und 16b entspricht.
Auf der Fläche X2, welches eine hintere Fläche der Schenkel
4 und 6 ist, wie es in Fig. 4D gezeigt ist, ist eine ge
meinsame Elektrode 19, welche eine Referenzspannung anlegt,
gegenüber Ansteuerelektroden 12a und 12b, Überwachungselek
troden 14a bis 14d und Erfassungselektroden 18a und 18b an
gebracht.
Als Ergebnis der an den Flächen X1 und X2 der Schenkel
4 und 6 angebrachten Elektroden, werden die Schenkel 4 und
6 entlang der X-Achse (in Fig. 2 gezeigt), die senkrecht zu
den Flächen X1 und X2 verläuft, polarisiert, wie es durch
Pfeile in Fig. 4E gezeigt ist. Die Ansteuerelektroden 12a
und 12b sind so ausgebildet, daß sie durchgängig sind, und
dehnen sich durch den Verbindungsabschnitt 8 von dem Schen
kel 4 zu dem Schenkel 6 aus. Die Elektrode 12a ist auf der
Innenseite der Fläche X1 vorgesehen und die Elektrode 12b
ist auf der Außenseite der Fläche X1 vorgesehen. Die Über
wachungselektroden 14a und 14c sind an dem Schenkel 4 ange
bracht und Überwachungselektroden 14b und 14d sind an dem
Schenkel 6 angebracht. Die Erfassungselektroden 18a und 18b
sind an einer Position in der Nähe der Fläche X2 auf den
Flächen Y1 und Y2 der Schenkel 4 und 6 angebracht. Alle
Spalte zwischen angrenzenden Elektroden, die an der Ober
fläche des Schwingungserzeugers 2 angebracht sind, sind auf
0.1 mm oder mehr eingestellt.
Wenn Wechselspannungen, die eine Phasendifferenz von
180 Grad aufweisen, an die Ansteuerelektrode 12a bzw. die
Ansteuerelektrode 12b angelegt werden, schwingen die Schen
kel 4 und 6 in der Richtung der Y-Achse (in Fig. 2 ge
zeigt), welche parallel zu einer Ebene verläuft, die die
Schenkel 4 und 6 enthält. Schwingungen der Schenkel 4 und 6
werden durch den elektrischen Strom erfaßt, der zwischen
den Überwachungselektroden 14a bis 14d und der gemeinsamen
Elektrode 19 fließt. Wenn ein elektrischer Strom, der zwi
schen den Erfassungselektroden 18a und 18b und der gemein
samen Elektrode 19 fließt, erfaßt wird, können außerdem
Schwingungen der Schenkel 4 und 6 entlang der X-Achse er
faßt werden und desweiteren kann die Winkelgeschwindigkeit
um die Z-Achse in der Mitte der Schenkel 4 und 6 erzielt
werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die
Schwingung der Schenkel 4 und 6 entlang der X-Achse und die
Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse aus dem elektrischen
Strom, der zwischen der gemeinsamen Elektrode 19 und den
Erfassungselektroden 18a und 18b fließt, erfaßt werden, da
die Erfassungselektroden 18a und 18b an einer Position in
der Nähe der Fläche X2 auf den Flächen Y1 und Y2 der Schen
kel 4 und 6 ausgebildet sind. Wenn die Erfassungselektroden
18a und 18b in der Nähe der Fläche X1 auf den Flächen Y1
und Y2 der Schenkel 4 und 6 ausgebildet sind, können die
Elektroden 16a und 16b als Referenzelektroden für die Er
fassungselektroden 18a und 18b dienen. Die Schwingung der
Schenkel 4 und 6 entlang der X-Achse und die Winkelge
schwindigkeit um die Z-Achse kann aus dem elektrischen
Strom, der zwischen den Elektroden 16a und 16b und den Er
fassungselektroden 18a und 18b fließt, erfaßt werden.
Als nächstes wird eine Ansteuer- und Erfassungsschal
tung 20 erklärt. Die Ansteuer- und Erfassungsschaltung 20
beinhaltet eine Eingangsschaltung 22, die ein Überwachungs
signal aus einer (14d in dem vorliegenden Ausführungsbei
spiel) der vier Überwachungselektroden 14a bis 14d auf
nimmt. Eingangsschaltungen 24a und 24b nehmen Erfassungssi
gnale aus den Erfassungselektroden 18a und 18b auf. Ein ei
generregter Oszillator 26 erzeugt Ansteuersignale
(Wechselspannungen), die an die Ansteuerelektroden 12a und
12b angelegt werden, unter Verwendung des Überwachungssi
gnals als ein Referenzsignal. Eine Erfassungsschaltung 28
erfaßt die Winkelgeschwindigkeit Ωz um die Z-Achse auf der
Grundlage des Überwachungssignals aus der Eingangsschaltung
22 und den Erfassungssignalen aus den Eingangsschaltungen
24a und 24b. Von den vier Überwachungselektroden 14a bis
14d sind Überwachungselektroden (14a bis 14c in dem vorlie
genden Ausführungsbeispiel), welche nicht an die Eingangs
schaltung 22 angeschlossen sind, mit einem Draht (in der
Figur nicht gezeigt) an das Substrat 10 angeschlossen, so
daß ihr Spannungspegel der gleiche wie der der gemeinsamen
Elektrode 19 wird.
Die Eingangsschaltungen 22, 24a und 24b, wie sie in
Fig. 5 gezeigt sind, sind Strom/Spannungs-Wandler, die ei
nen Operationsverstärker OPI beinhalten. Eine Signalleitung
von jeder Elektrode ist an einen invertierten Eingangsan
schluß des Operationsverstärkers OP1 angeschlossen und der
gleiche Spannungspegel wie der der gemeinsamen Elektrode
19, welcher die Referenzspannung der Elektroden ist, wird
an seinen nichtinvertierten Eingangsanschluß angelegt. Ein
Widerstand R1 zur Strom/Spannungs-Wandlung ist zwischen dem
invertierten Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß
des Operationsverstärkers OP1 angeschlossen. Dies verur
sacht, daß eine elektrostatische Kapazität des Schwingungs
erzeugers 2 kleiner als die eines Schwingungserzeugers ist,
bei dem piezoelektrische Elemente auf Schenkeln, die aus
Metall bestehen, angebracht sind, da der Schwingungserzeu
ger 2 des vorliegenden Ausführungsbeispiels aus piezoelek
trischem Material besteht. Wenn die herkömmliche Eingangs
schaltung, die in Fig. 6 gezeigt ist, für einen solchen
Piezoschwingungserzeuger verwendet wird, wird eine Phasen
differenz zwischen der tatsächlichen Bewegung des Schwin
gungserzeugers 2 und dem Überwachungssignal oder den Erfas
sungssignalen erzeugt, und somit verschlechtert sich das
Signal/Rausch-Verhältnis des Überwachungssignals oder der
Erfassungssignale. In der Eingangsschaltung im Stand der
Technik ist ein Widerstand R2 zwischen dem piezoelektri
schen Element und dem gemeinsamen Spannungspegel (Masse)
angeschlossen. Ein Anschluß des Widerstands R2 ist durch
eine Pufferschaltung, die aus einem Operationsverstärker
OP2 besteht, an eine Erfassungsschaltung angeschlossen.
Wenn diese Eingangsschaltung für den Schwingungserzeuger 2,
der aus piezoelektrischem Material besteht, verwendet wird,
besteht aufgrund der kleinen elektrostatischen Kapazität
des Schwingungserzeugers 2 die Neigung, daß Rauschkomponen
ten in dem Erfassungssignal beinhaltet sind, und ebenso
verschiebt sich die Phase des Erfassungssignals, das von
der Eingangsschaltung angelegt wird, von der Phase der tat
sächlichen Schwingung des Schwingungserzeugers 2. Aus die
sen Gründen werden Eingangsschaltungen 22, 24a und 24b für
das Überwachungssignal und die Erfassungssignale bevorzugt
aus einem Strom/Spannungs-Wandler ausgebildet, welcher ein
Stromsignal mit einem Operationsverstärker OP1 in ein Span
nungssignal wandelt. Diese Struktur ermöglicht es, das
Überwachungssignal und die Erfassungssignale ohne eine Pha
sendifferenz zu der tatsächlichen Schwingung des Schwin
gungserzeugers 2 zu erzielen, wobei diese weniger durch
Rauschen beeinflußt sind.
Der eigenerregte Oszillator 26 weist eine Amplituden-
Steuerschaltung 32 (eine Konstantamplitudenschaltung kann
ebenso angewendet werden), welche das Ansteuersignal auf
der Grundlage des Überwachungssignals erzeugt, das durch
die Eingangsschaltung 22 aufgenommen wird, ein Bandpaßfil
ter (BPF) 34, das Frequenzkomponenten beseitigt, die höher
als die Ansteuerfrequenz sind, und einen Invertierer 36
auf, der das Ansteuersignal, das durch das BPF 34 geht, in
vertiert. Das Ansteuersignal, das durch das BPF 34 geht,
wird direkt an die Ansteuerelektrode 12b angelegt und wird
über den Invertierer 36 an die Ansteuerelektrode 12a ange
legt. Das heißt, es besteht eine Phasendifferenz von 180
Grad zwischen den Ansteuerelektroden 12a und 12b. Deshalb
löschen sich Rauschkomponenten, die in dem Ansteuersignal
beinhaltet sind, das durch das BPF 34 geht, gegenseitig
aus, wenn der Schwingungserzeuger 2 durch Ansteuerelektro
den 12a und 12b zum Schwingen gebracht wird, so daß der
Schwingungserzeuger 2 bei einer erwünschten Frequenz
schwingt.
Das BPF 34 wird verwendet, um Hochfrequenzkomponenten
des Ansteuersignals zu beseitigen. Der Grund dafür, daß das
BPF 34 benötigt wird, ist der, daß das Ansteuersignal, ver
glichen mit dem Fall eines Verwendens der herkömmlichen
Eingangsschaltung, dem Einfluß von Rauschkomponenten ausge
setzt ist, die höher als die Ansteuerfrequenz sind. Das BPF
34 kann den Winkelgeschwindigkeitssensor unberücksichtigt
der Struktur des Strom/Spannungs-Wandlers stabil gegenüber
einer Störung machen. Das BPF 34 kann durch eine Kombina
tion von Tiefpaßfiltern ersetzt werden, obgleich es anzu
merken ist, daß die Phase des Ansteuersignals auf der glei
chen wie die der Schwingung des Schwingungserzeugers 2 ge
halten werden muß.
Die Erfassungsschaltung 28 weist einen Differentialver
stärker 38, welcher die Differenz zwischen den zwei Erfas
sungssignalen verstärkt, die durch Eingangsschaltungen 24a
und 24b angelegt werden, und eine Synchrondemodulations
schaltung 40 auf, die das Ausgangssignal des Differential
verstärkers 38 und das Überwachungssignal aus der Eingangs
schaltung 22 aufnimmt und das Erfassungssignal unter Ver
wendung des Überwachungssignals als ein Referenzsignal syn
chron demoduliert. Ein Ausgangssignal aus der Synchrondemo
dulationsschaltung 40 zeigt die Winkelgeschwindigkeit Ωz
um die Z-Achse. Anders ausgedrückt werden in der Erfas
sungsschaltung 28 die zwei Erfassungssignale in zwei Si
gnale gedreht, die die gleiche Phase aufweisen, und werden
durch den Differentialverstärker 38 kombiniert. Als Ergeb
nis erzeugt der Differentialverstärker 38 ein Ausgangssi
gnal, in welchem die Rauschkomponenten, die in jedem Erfas
sungssignal beinhaltet sind, ausgelöscht sind. Wenn das be
arbeitete Erfassungssignal an die Synchrondemodulations
schaltung 40 angelegt wird, erzeugt die Synchrondemodulati
onsschaltung 40 das Erfassungssignal, das die Winkelge
schwindigkeit zeigt, ohne von den Rauschkomponenten beein
trächtigt zu sein.
Wie es vorhergehend beschrieben worden ist, sind die
Ansteuerelektroden 12a und 12b an den Schenkeln 4 und 6 des
Schwingungserzeugers 2 angebracht, der in der Form einer
Abstimmgabel ausgebildet ist. Die Ansteuersignale für An
steuerelektroden 12a und 12b weisen eine Phasendifferenz
von 180 Grad auf. Deshalb wird während eines Schwingens
keine Härtedifferenz zwischen den Schenkeln 4 und 6 er
zeugt, wie es mit dem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeits
sensor der Fall ist, und somit schwingen die Schenkel 4 und
6 stabil. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden
desweiteren keine Schwingungen des Schwingungserzeugers 2
über den Verbindungsabschnitt 8 und das Trägerteil 9 zu dem
Substrat 10 übertragen. Aus diesen Gründen kann der Schwin
gungserzeuger 2 durch ein Anlegen einer ziemlich niedrigen
Ansteuerspannung an die Ansteuerelektroden 12a und 12b wir
kungsvoll zum Schwingen gebracht werden. Ebenso weist das
Erfassungssignal verringerte Rauschkomponenten auf, so daß
das Signal/Rausch-Verhältnis des Winkelgeschwindigkeitssen
sors verbessert wird.
Da sich die Ansteuerelektroden 12a und 12b durch den
Verbindungsabschnitt 8 zwischen den Schenkeln 4 und 6 aus
dehnen, schwingen die Schenkel 4 und 6 auf eine symmetri
sche Weise. Das heißt, die Schenkel 4 und 6 schwingen sym
metrisch mit der gleichen Schwingungscharakteristik. Als
Ergebnis verschlechtert sich das Signal/Rausch-Verhältnis
des Winkelgeschwindigkeitssensors nicht.
Da die Ansteuerelektroden 12a und 12b, die Überwa
chungselektroden 14a bis 14d und die Erfassungselektroden
18a und 18b an den Schenkeln 4 und 6 in der Reihenfolge von
dem Verbindungsabschnitt 8 zu den Spitzen der Schenkel 4
und 6 angebracht sind, kann die Erfassungsschaltung 28 die
Schwingungen des Schwingungserzeugers 2 durch die Erfas
sungselektroden 18a und 18b wirkungsvoll erfassen. Deswei
teren können Überwachungselektroden 14a bis 14d den Einfluß
der Ansteuersignale auf die Erfassungselektroden 18a und
18b unterdrücken. Aus diesen Gründen kann das Si
gnal/Rausch-Verhältnis des Winkelgeschwindigkeitssensors
ebenso verbessert werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Über
wachungselektroden 14a bis 14c, welche nicht an die Ein
gangsschaltung 22 angeschlossen sind, an das Substrat 10
angeschlossen, so daß ihr Spannungspegel der gleiche wie
der der gemeinsamen Elektrode 19 wird. Deshalb werden die
Erfassungselektroden 18a und 18b durch die Überwachungs
elektroden 14a bis 14c elektrisch abgeschirmt und deshalb
verhindern sie wirkungsvoller, daß die Ansteuersignale die
Erfassungselektroden 18a und 18b beeinträchtigen.
In der Erfassungsschaltung 28 werden die zwei Erfas
sungssignale von dem Differentialverstärker 38 kombiniert.
Als Ergebnis sind die Rauschkomponenten, die in jedem Er
fassungssignal beinhaltet sind, ausgelöscht. Deshalb kann
das vorliegende Ausführungsbeispiel ein Erfassungssignal
erzielen, das die Winkelgeschwindigkeit zeigt, ohne von
Rauschkomponenten beeinträchtigt zu sein, und somit kann
das Signal/Rausch-Verhältnis von ihm verbessert werden.
Da die Eingangsschaltungen in der Ansteuer- und Erfas
sungsschaltung 20, welche das Überwachungssignal und das
Erfassungssignal aufnehmen, Strom/Spannungs-Wandler sind,
die aus Operationsverstärkern bestehen, weisen die Überwa
chungs- und Erfassungssignale die gleiche Phase wie die
tatsächlichen Schwingungen des Schwingungserzeugers 2 auf,
und somit kann das Signal/Rausch-Verhältnis des Winkelge
schwindigkeitssensors verbessert werden.
Des weiteren verbessert das BPF 34 bei der eigenerregten
Schwingung das Ansteuersignal für den Schwingungserzeuger
2.
Als Ergebnis weist der Winkelgeschwindigkeitssensor des
vorliegenden Ausführungsbeispiels ein äußerst hohes Si
gnal/Rausch-Verhältnis auf und kann die Winkelgeschwindig
keit Ωz unberücksichtigt der Tatsache, daß der Schwin
gungserzeuger 2 aus piezoelektrischem Material besteht, ge
nau erfassen.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Spalte
zwischen angrenzenden Elektroden auf dem Schwingungserzeu
ger 2 auf 0.1 mm oder mehr eingestellt. Dies wird auf Grund
dessen durchgeführt, da leicht eine Migration entsteht,
wenn die Spalte klein sind. Die Migration verschlechtert
die Zuverlässigkeit des Sensors. Die Spalte, die auf 0.1 mm
oder mehr eingestellt sind, können ein Entstehen einer Mi
gration verhindern.
Wie es vorhergehend erwähnt worden ist, wird die Über
wachungselektrode 14d verwendet, um das Überwachungssignal
zu erzeugen. Der Rest der Überwachungselektroden 14a bis
14c wird auf der gleichen Spannung wie die gemeinsame Elek
trode 19 gehalten. Die Überwachungselektroden 14a bis 14c
schirmen die Erfassungselektroden 18a und 18b elektrisch
ab. Wie es in Fig. 7 gezeigt ist, können die Überwachungs
elektroden 14a und 14b (Überwachungselektroden 14c und 14d
können wahlweise ausgewählt werden) jedoch an die Eingangs
schaltung 22 angeschlossen sein und die Überwachungselek
troden 14c und 14d (Überwachungselektroden 14a und 14b kön
nen wahlweise ausgewählt werden) können an die gemeinsame
Spannungsleitung (Masse) des Substrats 10 angeschlossen
sein, so daß der Spannungspegel der Überwachungselektroden
14c und 14d auf dem gemeinsamen Spannungspegel gehalten
wird. Da die Signalleitungen an den Schenkeln 4 und 6 voll
kommen symmetrisch sind, kann das Signal/Rausch-Verhältnis
des Winkelgeschwindigkeitssensors verbessert werden. Das
heißt, eine Kapazität zwischen den Ansteuerelektroden 12a
und 12b und den Erfassungselektroden 18a und 18b oder der
Elastizitätskoeffizient ändert sich mit den Verbindungen
der Signalleitungen. Eine Asymmetrie zwischen den Schenkeln
4 und 6 verschlechtert das Signal/Rausch-Verhältnis des
Winkelgeschwindigkeitssensors. Aus diesem Grund sind die
Elektroden auf den Schenkeln 4 und 6 symmetrisch ausgebil
det, so daß die Schenkel 4 und 6 symmetrisch sind. Wenn das
Überwachungssignal jedoch durch eine der Überwachungselek
troden 14a bis 14d angelegt wird, und die anderen auf dem
gemeinsamen Spannungspegel gehalten werden, wird eine Asym
metrie zwischen den Schenkeln 4 und 6 erzeugt und das Si
gnal/Rausch-Verhältnis des Winkelgeschwindigkeitssensors
wird verschlechtert. Deshalb wird es bevorzugt, Verbindun
gen der Signalleitungen der Schenkel 4 und 6 symmetrisch zu
machen.
Wie es in Fig. 8 gezeigt ist, können Rauschkomponenten,
welche von einer kapazitiven Kopplung verursacht werden,
verringert werden und das Signal/Rausch-Verhältnis des Sen
sors kann verbessert werden, wenn Drähte von den Erfas
sungselektroden 18a und 18b und den Überwachungselektroden
14a und 14b zu den Eingangsschaltungen 22, 24a und 24b oder
Drähte von den Überwachungselektroden 14c und 14d an Masse
auf dem Substrat durch Elektroden 41 abgeschirmt werden.
Die Abschirmelektroden 41 können auf dem gemeinsamen Span
nungspegel oder dem Massespannungspegel gehalten werden.
In dem Schwingungserzeuger 2 des vorliegenden Ausfüh
rungsbeispiels weisen die Signale aus den Überwachungselek
troden 14a und 14b und die Signale aus den Überwachungs
elektroden 14c und 14d eine inverse bzw. umgekehrte Phase
auf, wenn die Ansteuerelektroden 12a und 12b erregt werden,
da die Polarisationsrichtungen der Schenkel 4 und 6 die
gleichen sind. Aus diesem Grund verkoppeln, wie es zum Bei
spiel in Fig. 9 gezeigt ist, Eingangsschaltungen 22a und
22b Überwachungssignale, die die gleiche Phase aufweisen,
durch ein Anschließen der Überwachungselektroden 14a und
14b an die Eingangsschaltung 22b und der Überwachungselek
troden 14c und 14d an die Eingangsschaltung 22a. Dann wer
den Überwachungssignale, welche zueinander die inverse
Phase aufweisen, an eine Subtraktionsschaltung 43 angelegt.
Deshalb wird die Amplitude des Überwachungssignals durch
die Subtraktionsschaltung 43 vergrößert. Wenn dieses ver
größerte Überwachungssignal an den eigenerregten Oszillator
26 und die Erfassungsschaltung 28 angelegt wird, werden le
diglich die Schwingungskomponenten entlang der Y-Achse,
welche der Schwingungsrichtung des Schwingungserzeugers 2
entspricht, aus dem vergrößerten Überwachungssignal er
zielt, und andere Schwingungskomponenten als jene entlang
der Y-Achse werden als Rauschkomponenten ausgelöscht. Dem
gemäß kann durch ein Kombinieren der Überwachungssignale
ein stabiles und genaues Überwachungssignal erzielt werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Erfas
sungselektroden 18a und 18b an den Flächen Y1 und Y2 der
Schenkel 4 und 6 angebracht. Wie es jedoch zum Beispiel in
den Fig. 10A bis 10C und den Fig. 11A bis 11D gezeigt
ist, können die Erfassungselektroden 18a und 18b vor den
Ansteuersignalen geschützt werden und das Signal/Rausch-
Verhältnis des Sensors kann verbessert werden, wenn die Er
fassungselektroden 18a und 18b auf den Flächen Y1 und Y2
mit Abschirmelektroden 50a und 50b, die an die gemeinsame
Elektrode 19 angeschlossen sind, umgeben sind. In diesem
Fall entspricht, wie es in den Fig. 10A bis 10C gezeigt
ist, die Polarisationsrichtung in einem Abschnitt B der
Schenkel 4 und 6, in dem die Ansteuerelektroden 12a und 12b
und die Überwachungselektroden 14a bis 14d angebracht sind,
einer Richtung von der Fläche X1 zu der Fläche X2. In einem
Abschnitt A der Schenkel 4 und 6, in dem die Erfassungs
elektrode 18a und 18b und die Abschirmelektroden 50a und
50b angebracht sind, entspricht die Polarisationsrichtung
einer Richtung von den Erfassungselektroden 18a und 18b zu
den entsprechenden Abschirmelektroden 50a und 50b und der
gemeinsamen Elektrode 19. Die Elektroden 16a und 16b, wel
che auf der Fläche X1 gegenüber den Erfassungselektroden
18a und 18b angebracht sind, sind unnötig.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines zweiten be
vorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird das zweite Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 12 und 13
beschrieben. In dem zweiten Ausführungsbeispiel erfaßt der
Winkelgeschwindigkeitssensor die Winkelgeschwindigkeit in
der Mitte der Schenkel 4 und 6 des Schwingungserzeugers 202
um die X-Achse, welche sich in einem rechten Winkel zu den
Flächen X1 und X2 des Schwingungserzeugers 202 befindet.
Der Schwingungserzeuger 202 des zweiten Ausführungsbei
spiels ist weitestgehend genauso wie der Schwingungserzeu
ger 2 des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet. Der ein
zige Unterschied zwischen ihnen besteht darin, daß in dem
zweiten Ausführungsbeispiel die Erfassungselektroden 18a
und 18b von den Flächen Y1 und Y2 der Schenkel 4 und 6 be
seitigt sind. Die Elektroden 16a und 16b, die an der Fläche
X1 des Schwingungserzeugers 2 angebracht sind, werden als
Erfassungselektroden verwendet. Das heißt, der Winkelge
schwindigkeitssensor ist dadurch unterschiedlich zu dem
Winkelgeschwindigkeitssensor des ersten Ausführungsbei
spiels, welcher die Winkelgeschwindigkeit Ωz um die Z-
Achse aus den Schwingungen der Schenkel 4 und 6 in der
Richtung der X-Achse erfaßt, daß er die Winkelgeschwindig
keit Ωx in der Mitte der Schenkel 4 und 6 um die X-Achse
erfaßt, wie es in Fig. 13 gezeigt ist. Wenn die Winkelge
schwindigkeit Ωx um die X-Achse auf den Schwingungserzeu
ger 202 wirkt, wird durch die Winkelgeschwindigkeit Ωx ei
ne Corioliskraft induziert. Die Corioliskraft läßt die
Schenkel 4 und 6 in entgegengesetzten Richtungen zueinander
entlang der Y-Achse schwingen. Spannungssignale, die pro
portional zu der Winkelgeschwindigkeit Ωx sind, werden als
Reaktion auf das Schwingen der Schenkel 4 und 6 entlang der
Y-Achse durch eine Druckbeanspruchung oder eine Zugbean
spruchung, die auf die Schenkel 4 und 6 ausgeübt wird, in
den Erfassungselektroden 16a und 16b erzeugt. Die Span
nungssignale, die in die Erfassungselektroden 16a und 16b
induziert werden, werden als ein Erfassungssignal erfaßt.
Eine Ansteuer- und Erfassungsschaltung 220 des zweiten
Ausführungsbeispiels weist die gleiche Struktur, wie die
des ersten Ausführungsbeispiels auf, das heißt, sie weist
eine Eingangsschaltung 22, die das Überwachungssignal aus
der Überwachungselektrode 14d aufnimmt, Eingangsschaltungen
24a und 24b, die die Erfassungssignale aus den Elektroden
16a und 16b, die als die Erfassungselektroden verwendet
werden, aufnehmen, einen eigenerregten Oszillator 26 und
eine Erfassungsschaltung 228 auf. Die Eingangsschaltungen
22, 24a und 24b und der eigenerregte Oszillator 26 sind auf
die gleiche Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
aufgebaut, aber die Erfassungsschaltung 228 ist ein wenig
unterschiedlich zu der Erfassungsschaltung 28 des ersten
Ausführungsbeispiels. Das heißt, in dem zweiten Ausfüh
rungsbeispiel weist eine Signalverarbeitungsschaltung 60
einen Invertierer 55, einen veränderbaren Widerstand VR1
und einen Puffer 57 anstelle des Operationsverstärkers 38
auf. In der Signalverarbeitungsschaltung 60 wird das Erfas
sungssignal, das durch die Eingangsschaltung 24b geht, von
dem Invertierer 55 invertiert bzw. umgekehrt und dann wird
das invertierte Signal an ein Ende des veränderbaren Wider
stands VR1 angelegt. Das Erfassungssignal, das durch die
Eingangsschaltung 24a geht, wird direkt an das andere Ende
des veränderbaren Widerstands VR1 angelegt. Die Erfassungs
signale werden in dem veränderbaren Widerstand VR1 verkop
pelt. Das verkoppelte Erfassungssignal wird von einem be
weglichen Kontakt des Widerstands VR1 erzeugt und wird über
den Puffer 57 an die Synchrondemodulationsschaltung 40 an
gelegt. Das heißt, die Signalverarbeitungsschaltung 60
dreht die zwei Erfassungssignale, die zueinander entgegen
gesetzte Phasen aufweisen, durch den Invertierer 55 in Si
gnale, die die gleiche Phase aufweisen, und verkoppelt die
Signale, die die gleiche Phase aufweisen, in dem veränder
baren Widerstand VR1. Gemäß dem Winkelgeschwindigkeitssen
sor des zweiten Ausführungsbeispiels ist es durch ein Ein
stellen des Werts des veränderbaren Widerstands VR1 mög
lich, Rauschkomponenten, welche durch ein einfaches Verkop
peln der Signale nicht beseitigt werden können, zu verrin
gern, wenn die Erfassungssignale verkoppelt werden.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines dritten be
vorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird das dritte Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 14 und 15
beschrieben. In dem ersten Ausführungsbeispiel und dem
zweiten Ausführungsbeispiel erfaßt der Winkelgeschwindig
keitssensor die Winkelgeschwindigkeit Ωz um die Z-Achse
oder die Winkelgeschwindigkeit Ωx um die X-Achse. Der Win
kelgeschwindigkeitssensor des dritten Ausführungsbeispiels
kann jedoch die Winkelgeschwindigkeit Ωz und die Winkelge
schwindigkeit Ωx unter Verwendung lediglich eines einzigen
Schwingungserzeugers 302 gleichzeitig erfassen.
Der Schwingungserzeuger 302 des dritten Ausführungsbei
spiels ist weitestgehend genauso wie der Schwingungserzeu
ger 2 des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet. Der ein
zige Unterschied zwischen ihnen besteht darin, daß die Er
fassungselektroden 18a und 18b von den Flächen Y1 und Y2
der Schenkel 4 und 6 beseitigt sind, gemeinsame Elektroden
62a und 62b, welche auf der gleichen Spannung wie die ge
meinsame Elektrode 19 gehalten werden, in jeder Mittenposi
tion angebracht sind, die den Elektroden 16a und 16b auf
den Flächen Y1 und Y2 entspricht und desweiteren eine Elek
trode 16c an einer Position angebracht ist, die der Elek
trode 16b auf der Fläche X2 des Schenkels 6 entspricht. In
dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Elektrode 16a
auf der Fläche X1 des Schenkels 4 und die Elektrode 16c auf
der Fläche X2 des Schenkels 6 als Erfassungselektroden ver
wendet.
Ein Ansteuer- und Erfassungsschaltung 320 des dritten
Ausführungsbeispiels weist die gleiche Struktur wie die des
ersten Ausführungsbeispiels auf. Das heißt, sie weist eine
Eingangsschaltung 22, die das Überwachungssignal aus der
Überwachungselektrode 14d aufnimmt, Eingangsschaltungen 24a
und 24b, die die Erfassungssignale aus den Elektroden 16a
und 16c, die als die Erfassungselektroden verwendet werden,
aufnehmen, einen eigenerregten Oszillator 26 und eine Er
fassungsschaltung 328 auf. Die Eingangsschaltungen 22, 24a
und 24b und der eigenerregte Oszillator 26 sind auf die
gleiche Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel aufge
baut, aber die Erfassungsschaltung 328 ist unterschiedlich
zu der Erfassungsschaltung 28 des ersten Ausführungsbei
spiels. Das heißt, in dem dritten Ausführungsbeispiel weist
die Erfassungsschaltung 328 eine Subtraktionsschaltung 64,
die ein Erfassungssignal von dem anderen Erfassungssignal
subtrahiert, eine Additionsschaltung 66, die diese Erfas
sungssignale addiert, eine Synchrondemodulationsschaltung
40x, die das Ausgangssignal der Subtraktionsschaltung 64
unter Verwendung des Überwachungssignals, das durch die
Eingangsschaltung 22 geht, als ein Referenzsignal synchron
demoduliert, und eine Synchrondemodulationsschaltung 40z
auf, die das Ausgangssignal der Additionsschaltung 66 unter
Verwendung des Überwachungssignals, das durch die Eingangs
schaltung 22 geht, als ein Referenzsignal synchron demodu
liert.
Wie es vorhergehend beschrieben worden ist, werden Si
gnale, die die gleiche Phase aufweisen, von Elektroden 16a
und 16c erzeugt, wenn die Winkelgeschwindigkeit Ωz um die
Z-Achse auf den Schwingungserzeuger 302 wirkt, da die Elek
trode 16a und die Elektrode 16c, die als die Erfassungs
elektroden verwendet werden, auf unterschiedlichen Flächen
(Fläche X1 und Fläche X2) der Schenkel 4 bzw. 6 angebracht
sind. Wenn andererseits die Winkelgeschwindigkeit Ωx um
die X-Achse auf den Schwingungserzeuger 302 wirkt, werden
Signale, die eine entgegengesetzte Phase aufweisen, von den
Elektroden 16a und 16c erzeugt, da eine Druckbeanspruchung
und eine Zugbeanspruchung auf den Schenkel 4 bzw. 6 ausge
übt werden. Deshalb verdoppelt sich das Ausgangssignal der
Subtraktionsschaltung 64, während eine Winkelgeschwindig
keit Ωx um die X-Achse auf den Schwingungserzeuger 302
wirkt. Andererseits ist das Ausgangssignal der Subtrakti
onsschaltung 64 Null, während eine Winkelgeschwindigkeit Ω
z um die Z-Achse auf den Schwingungserzeuger 302 ausgeübt
wird. Das Ausgangssignal der Additionsschaltung 66 verdop
pelt sich, während eine Winkelgeschwindigkeit Ωz um die Z-
Achse auf den Schwingungserzeuger 302 wirkt. Andererseits
ist das Ausgangssignal der Additionsschaltung 66 Null, wäh
rend eine Winkelgeschwindigkeit Ωx um die X-Achse auf den
Schwingungserzeuger 302 ausgeübt wird.
Aus diesen Gründen kann der Winkelgeschwindigkeitssen
sor des dritten Ausführungsbeispiels eine Winkelgeschwin
digkeit Ωx um die X-Achse mittels der Subtraktionsschal
tung 64 und der Synchrondemodulationsschaltung 40x und eine
Winkelgeschwindigkeit Ωz um die Z-Achse mittels der Addi
tionsschaltung 66 und der Synchrondemodulationsschaltung
40z erfassen.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines vierten be
vorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird das vierte Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 16, 17A
und 17B beschrieben. Wie es in Fig. 16, 17A und 17B gezeigt
ist, weist ein Winkelgeschwindigkeitssensor 402 einen
Schwingungserzeuger 404, welcher aus piezoelektrischem Ma
terial besteht und auf welchen Elektroden angebracht sind,
und ein Befestigungsteil 406 auf, welches aus rostfreiem
Stahl besteht und zum Befestigen des Schwingungserzeugers
404 auf einem zu erfassenden Objekt M verwendet wird. Der
Schwingungserzeuger 404 in der Form einer Abstimmgabel be
steht aus einem Sockelabschnitt 410, der eine Sockelfläche
404a aufweist, die an dem Befestigungsteil 406 befestigt
ist, und einem Schenkelpaar 412 und 414, welches von der
Sockelfläche 404a weggehend parallel ausgebildet ist. Eine
vordere Fläche 404b (gleichbedeutend der Fläche X1) des
Schwingungserzeuger 404 weist mehrere angebrachte Elek
troden auf. Schwingungselektroden 416 und 418 lassen die
Schenkel 412 und 414 entlang der X-Achse schwingen, so daß
sie sich zueinander periodisch nähern und entfernen. Über
wachungselektroden 420 erzeugen synchron zu den Schwingun
gen des Schwingungserzeugers 404 ein Signal. Elektroden 424
steuern die Polarisation des Schwingungserzeugers 404.
Auf einer rechten Seitenfläche 404c (gleichbedeutend
der Fläche Y2) des Schwingungserzeugers 404 ist eine Erfas
sungselektrode 426 angebracht, um ein Erfassungssignal zu
erzeugen, das proportional zu einer Winkelgeschwindigkeit
Ω ist. Auf einer linken Seitenfläche 404d (Fläche Y1) des
Schwingungserzeugers 404 ist eine andere Erfassungselektro
de 428 angebracht, um das gleiche Erfassungssignal wie die
Erfassungselektrode 426 zu erzeugen. Außerdem ist eine hin
tere Oberfläche 404e des Schwingungserzeugers 404 mit einer
gemeinsamen Elektrode 430 bedeckt. Die gemeinsame Elektrode
430 wird verwendet, um die Polarisation des Schwingungser
zeugers 404 zu steuern und wird an dein Massespannungspegel
gehalten, wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω erfaßt wird.
Das Befestigungsteil 406 beinhaltet einen Verbindungsab
schnitt 432, der eine Verbindungsfläche 406a, die mit der
gleichen Form wie die Sockelfläche 404a ausgebildet ist,
einen dünnen Abschnitt 434, welcher dünner als der Verbin
dungsabschnitt 406a ist und in der Mitte des Verbindungsab
schnitts 406a angeordnet ist, und einen Befestigungsab
schnitt 436, der eine Befestigungsfläche zum Anbringen des
Befestigungsteils 406 an dem zu erfassenden Objekt M auf
weist. Ein Querschnitt des Befestigungsteils 406 ist H-för
mig. Die Sockelfläche 404a des Schwingungserzeugers 404 und
die Verbindungsfläche 406a des Befestigungsteils 406 werden
durch einen Klebstoff verbunden. Desweiteren ist das Befe
stigungsteil 406 mittels eines Klebstoffs, eines Schwei
ßens, einer Schraube, eines Hartlötens oder dergleichen an
dem zu erfassenden Objekt befestigt.
Die Dicke der Klebstoffschicht zwischen der Sockelflä
che 404a und der Verbindungsfläche 406a sollte 20 µm oder
weniger betragen, um eine Dämpfung einer Amplitude der
Schwingungen des Schwingungserzeugers 404 zu minimieren.
Ein experimentelles Ergebnis, bei dem die Dicke der Kleb
stoffschicht auf 20 µm oder weniger eingestellt worden ist,
wird später erwähnt. Wenn die Dicke größer wird, kann eine
erwünschte Schwingung des Schwingungserzeugers 404 nicht
erzielt werden.
Bei der Winkelgeschwindigkeitssensorstruktur, die vor
hergehend beschrieben worden ist, werden Ansteuerelektroden
416 und 418, Überwachungselektroden 420 und Elektroden 424,
die eine Polarisation steuern, auf eine Spannung einge
stellt, die die gleiche Gleichspannungskomponente aufweist.
Das heißt, diese Elektroden werden gegenüber der Spannung
der gemeinsamen Elektrode 19, welches eine Referenzspannung
ist, einer vorbestimmten Spannung ausgesetzt. Als Ergebnis
wird die Polarisation so gesteuert, daß sie sich in der
Polarisationsrichtung befindet, die durch Pfeile in Fig. 16
gezeigt ist.
Die Schenkel 412 und 414 schwingen entlang der X-Achse,
so daß sie sich wiederholt zueinander nähern und entfernen
(hier im weiteren Verlauf als eine Ansteuerschwingung be
zeichnet), wie es in Fig. 18 gezeigt, wenn Wechselsignale,
die eine vorbestimmte Frequenz und eine inverse Phase zu
einander aufweisen, an die Ansteuerelektroden 416 bzw. 418
angelegt werden. Zu diesem Zeitpunkt werden der Sockelab
schnitt 410 des Schwingungserzeugers 404 und der Verbin
dungsabschnitt 432 des Befestigungsteils 406, die durch den
Klebstoff verbunden sind, ebenso zum Schwingen gebracht.
Unter dieser Ansteuerschwingung wird der dünne Abschnitt
434 des Befestigungsteils 406 ein Drehpunkt der Schwingung.
Während der Ansteuerschwingung erzeugt eine der Überwa
chungselektroden 420 das Überwachungssignal synchron zu den
Schwingungen des Schwingungserzeugers 404. Dieses Überwa
chungssignal wird verwendet, um die Ansteuerschwingung auf
die gleiche Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
stabil zu halten.
Während der zuvor beschriebenen Ansteuerschwingung wird
eine Corioliskraft durch die Winkelgeschwindigkeit Ω indu
ziert, wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Z-Achse
auf den Schwingungserzeuger 404 wirkt. Die Corioliskraft
läßt die Schenkel 412 und 414 in einer entgegengesetzten
Richtung zueinander entlang der Y-Achse schwingen. Span
nungssignale, die proportional zu der Winkelgeschwindigkeit
Ω sind, werden durch eine Druckbeanspruchung oder eine
Zugbeanspruchung, die auf die Schenkel 412 und 414 ausgeübt
wird, als Reaktion auf die Schwingung der Schenkel 412 und
414 entlang der Y-Achse induziert. Die Spannungssignale,
die in die Erfassungselektroden 426 und 428 induziert wer
den, werden als ein Erfassungssignal erfaßt.
Die Empfindlichkeit des Erfassungssignals bezüglich der
Winkelgeschwindigkeit Ω, die auf den Schwingungserzeuger
404 wirkt, hängt von der Amplitude und der Frequenz der An
steuerschwingung ab. Die Amplitude der Ansteuerschwingung
wird stark von dem Sockelabschnitt 410 und dem Verbindungs
abschnitt 432 beeinträchtigt, welche als ein Körper schwin
gen. Wenn die Verbindungsflächen 404a und 406a zwischen dem
Schwingungserzeuger 404 und dem Befestigungsteil 406 in Ru
he in einer Position angeordnet sind, an welcher die Bela
stung während der Schwingung des Sockelabschnitts 410 und
des Verbindungsabschnitts 432 Null wird, wird die Amplitude
der Ansteuerschwingung maximiert.
Demgemäß werden in dem vierten Ausführungsbeispiel die
Dicke "a" des Sockelabschnitts 410 des Schwingungserzeugers
404 und die Dicke "b" des Verbindungsabschnitts 432 des Be
festigungsteils 406 so eingestellt, daß die Beziehung in
der folgenden Gleichung (1) erfüllt ist:
Ea×a = Eb×b (1)
wobei "Ea" das Elastizitätsmodul des Schwingungserzeu
gers 404 ist und "Eb" das Elastizitätsmodul des Befesti
gungsteils 406 ist.
Es wird zum Beispiel angenommen, daß das Elastizitäts
modul des piezoelektrischen Materials, das den Schwingungs
erzeuger 404 ausbildet, 50 GPa beträgt und die Dicke "a"
des Sockelabschnitts 410 3 mm beträgt. Da das Elastizitäts
modul des rostfreien Stahls, der das Befestigungsteil 406
ausbildet, 197 GPa beträgt, sollte die Dicke "b" des Ver
bindungsabschnitts 432 0.76 mm betragen. Wenn das Befesti
gungsteil 406 aus Kupfer (Eb = 117 GPa) besteht, sollte die
Dicke "b" des Verbindungsabschnitts 432 1.28 mm betragen.
Fig. 20 zeigt einen Graph, der die Änderung der Ampli
tude A während der Ansteuerschwingung darstellt, wenn sich
die Dicke "b" des Verbindungsabschnitts 432 des Befesti
gungsteils 406 ändert. Die Dicke "a" des Sockelabschnitts
410 beträgt 3 mm. In dem Graph ist die Amplitude A mit Re
lativwerten gezeigt, wobei die Amplitude A 100% entspricht,
wenn die vorhergehende Gleichung (1) erfüllt ist, das
heißt, die Dicke "b" des Verbindungsabschnitts 432 0.76 mm
beträgt. Wie es in Fig. 20 gezeigt ist, wird selbst dann,
wenn die Ansteuerspannung, die an die Ansteuerelektroden
416 und 418 angelegt wird, konstant ist, je größer die Ab
weichung der Dicke "b" von dem Punkt ist, an dem die vor
hergehende Gleichung (1) erfüllt ist (b = 0.76 mm), desto
kleiner die Amplitude A. Anders ausgedrückt, eine Schwin
gungsenergie, die an die Ansteuerelektroden 416 und 418 an
gelegt wird, wird nicht wirkungsvoll für die Ansteuer
schwingung verwendet. Selbst dann, wenn das Befestigungs
teil 406 aus einem anderen Material als rostfreiem Stahl
besteht oder die Dicke "a" des Sockelabschnitts 410 ein an
derer Wert als 3 mm ist, ist das Ergebnis das gleiche, wie
das, das in Fig. 20 gezeigt ist.
Da der Winkelgeschwindigkeitssensor des vierten Ausfüh
rungsbeispiels so aufgebaut ist, wie es zuvor erklärt wor
den ist, weist er die folgende Vorteile auf.
Da das Befestigungsteil 406 aus rostfreiem Stahl be
steht, welcher einfach hergestellt werden kann, kann zuerst
der dünne Abschnitt 134 genau an der Mitte des Befesti
gungsteils 406 ausgebildet werden. Deshalb ermöglicht der
dünne Abschnitt 434, daß die Schwingungen des Schwingungs
erzeugers 404 ausgeglichen sind und der Drehpunkt der
Schwingungen wird an dem dünnen Abschnitt 434 erzeugt. Die
Ansteuerschwingung ist viel stabiler und die Empfindlich
keit des Winkelgeschwindigkeitssensors 402 kann konstantge
halten werden.
Des weiteren kann die Empfindlichkeit des Sensors 402
verbessert werden, da die Dicke "b" des Verbindungsab
schnitts 432 auf der Grundlage der vorhergehenden Gleichung
(1) so eingestellt ist, daß die Amplitude A während der An
steuerschwingung maximiert ist.
In dem vierten Ausführungsbeispiel werden die Dicke "a"
des Sockelabschnitts 410 und die Dicke "b" des Verbindungs
abschnitts 432 in Übereinstimmung mit der vorhergehenden
Gleichung (1) eingestellt. Wenn jedoch die Dicke "a" des
Sockelabschnitts 410 klein ist oder das Elastizitätsmodul
"Eb" des Befestigungsteils 406 groß ist, wird die Dicke "b"
des Verbindungsabschnitts 432 sehr klein. Dies könnte auf
grund von Schwierigkeiten beim Herstellen oder Problemen
mit der Festigkeit des Verbindungsabschnitts 432 unmöglich
sein. Demgemäß wurde ein zulässiger Bereich der Dicke "a"
des Sockelabschnitts 410 und der Dicke "b" des Verbindungs
abschnitts 432 von den Erfindern untersucht und die folgen
de Gleichung (2) erzeugt zulässige Ergebnisse:
b/(a+b)×Eb/Ea <= 1.2 (2)
Wenn die Abmessungen und Materialien aus dem vorherge
henden Beispiel an Gleichung (2) angewendet werden, beträgt
die Dicke "b" des Verbindungsabschnitts 432 1.33 mm oder
weniger, was es ermöglicht, daß die Dicke "b" bis nahezu
zweimal dem Wert von 0.76 mm beträgt, der unter Verwendung
von Gleichung (1) berechnet worden ist. Durch Ausführen der
Dicke "b" des Verbindungsabschnitts 432 unter Verwendung
der Gleichung (2) ist es möglich, das Befestigungsteil 406
einfach herzustellen. Die Gleichung (2) wurde experiinentell
aus Messungen bestimmt, wie sie zum Beispiel in Fig. 20 ge
zeigt sind. Selbst dann, wenn das Befestigungsteil 406 aus
einem anderen Material als rostfreiem Stahl (zum Beispiel
Kupfer) besteht, ist Gleichung (2) anwendbar.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines fünften be
vorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird das fünfte Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 21 be
schrieben.
Wie es in Fig. 21 gezeigt ist, weist der Winkelge
schwindigkeitssensor 542 des fünften Ausführungsbeispiels
einen Schwingungserzeuger 544, der aus piezoelektrischem
Material besteht, auf welchen verschiedene Elektroden ange
bracht sind, und ein Befestigungsteil 546 auf, das aus
rostfreiem Stahl besteht und zwischen dem Schwingungserzeu
ger 544 und einem zu erfassenden Objekt M angeordnet ist,
um den Schwingungserzeuger 544 auf dem zu erfassenden Ob
jekt M zu befestigen. Der Schwingungserzeuger 544 ist als
ein rechteckiges Prisma ausgebildet und an ihm sind eine
Ansteuerelektrode 516, eine Überwachungselektrode 518, eine
Polarisationselektrode 524, eine Erfassungselektrode 526
und eine gemeinsame Elektrode 530 angebracht, welche die
gleichen Funktionen wie entsprechend benannte Elektroden des
vierten Ausführungsbeispiels aufweisen.
Das Befestigungsteil 546 ist ein rechteckiges Prisma,
das eine Breite entlang der X-Achse aufweist, die schmäler
als die Breite einer Sockelfläche 544a des Schwingungser
zeugers 544 ist. Eine Verbindungsfläche 546a des Verbin
dungsteils 546 ist durch einen Klebstoff an der Sockelober
fläche 544a des Schwingungserzeugers 544 angebracht, so daß
das Befestigungsteil 546 an der Mitte des Schwingungserzeu
gers 544 angeordnet ist. Desweiteren ist eine Befestigungs
fläche 546b des Befestigungsteils 546 an dem zu erfassenden
Objekt M angebracht.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor 542 wird auf die glei
che Weise wie in dem vierten Ausführungsbeispiel so polari
siert, daß die Polarisationsrichtung die Richtung wird, die
durch den Pfeil in Fig. 21 gezeigt ist. Ein Befestigungs
teil 546 wird ein Drehpunkt für Schwingungen und der
Schwingungserzeuger 544 schwingt entlang der X-Achse (als
die Ansteuerschwingung bezeichnet), wenn Wechselsignale mit
einer vorbestimmten Frequenz an die Ansteuerelektrode 516
angelegt werden. Während dieser Ansteuerschwingung schwingt
der Schwingungserzeuger 544 auf die gleiche Weise wie in
dem vierten Ausführungsbeispiel entlang der Y-Achse, wenn
eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Z-Achse ausgeübt wird.
Deshalb kann ein Erfassungssignal, das proportional zu der
Winkelgeschwindigkeit Ω ist, von der Erfassungselektrode
526 erzielt werden.
Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel kann der Winkel
geschwindigkeitssensor einfacher hergestellt werden, da das
gesamte Befestigungsteil 546 auf die gleiche Weise wie der
dünne Abschnitt 434 des vierten Ausführungsbeispiels arbei
tet. Das heißt, daß durch nicht mehr als ein Anbringen des
einfach geformten Befestigungsteils 546 an dem Schwingungs
erzeuger 544 die Position des Drehpunkts an einer nahezu
konstanten Position bleibt, und der Schwingungserzeuger 544
wird stabil schwingen.
Das fünfte Ausführungsbeispiel beinhaltet verglichen
mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen eine Abände
rung des Befestigungsteils 546. Jedoch ist die Form des Be
festigungsteils 546 nicht auf die vorhergehenden Beispiele
beschränkt. Zum Beispiel kann das Befestigungsteil ver
schiedene Formen aufweisen, wie es in den Fig. 22A bis
22E gezeigt ist. Das heißt, die Form des dünnen Abschnitts
434 oder des Befestigungsabschnitts 436 ist gemäß den vor
hergehenden Ausführungsbeispielen rechteckig im Quer
schnitt, aber jeder Abschnitt des Befestigungsteils kann
kreisförmig sein, wie es durch die Befestigungsteile 506a,
506d und 506e in den Fig. 22A, 22D bzw. 22E gezeigt ist.
Anders ausgedrückt kann jede Form für den dünnen Abschnitt
434 oder das Befestigungsteil 436 verwendet werden, solange
es in der Richtung der Ansteuerschwingung symmetrisch ist.
Außerdem beinhaltet der dünne Abschnitt 434 in dem vierten
Ausführungsbeispiel nicht mehr als ein Teil. Jedoch ist ein
Vorsehen von zwei oder mehr dünnen Abschnitt möglich, so
lange die dünnen Abschnitte in einem vorbestimmten Bereich
angeordnet sind, der schmäler als die Breite des Schwin
gungserzeugers 504 ist, und sie doppelseitig symmetrisch
angeordnet sind. Desweiteren weisen, wie es in den Fig.
22B, 22C und 22D gezeigt ist, die Befestigungsteile 506b,
506c bzw. 506d keinen Befestigungsabschnitt an ihrem Sockel
auf. Wie es in Fig. 22C und 22E gezeigt ist, kann der
Schwingungserzeuger 544 so angeordnet sein, daß die Sockel
fläche 544a des Schwingungserzeugers 544 und die Oberfläche
des zu erfassenden Oberfläche M rechtwinklig sind.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines sechsten be
vorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird das sechste Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren be
schrieben.
Wie es in den Fig. 23A, 23B und 24A bis 24E gezeigt
ist, ist der Schwingungserzeuger 602 des sechsten Ausfüh
rungsbeispiels weitestgehend genauso wie der Schwingungser
zeuger 404 des vierten Ausführungsbeispiels aufgebaut. Der
einzige Unterschied zwischen ihnen besteht darin, daß sich
in dem sechsten Ausführungsbeispiel eine gemeinsame Elek
trode 619 zu einem Teil einer Sockelfläche 602a des Schwin
gungserzeugers 602 ausdehnt, wie es in Fig. 23B gezeigt
ist, und der Schwingungserzeuger 602 ist durch das Befesti
gungsteil 620 parallel zu einem Träger 622 befestigt (siehe
Fig. 25). Der Träger 622 weist sechs Anschlüsse 624 bis 629
auf, welche durch Drähte L1 bis L6 an Ansteuerelektroden
612a und 612b, Überwachungselektroden 614a und 614b und Er
fassungselektroden 618a und 618b angeschlossen sind.
Um die Winkelgeschwindigkeit zu erfassen, sollte eine
gemeinsame Elektrode 619, die auf der Fläche X2 des Schwin
gungserzeugers 602 angebracht ist, auf einem vorbestimmten
Referenzspannungspegel gehalten werden. Wie es durch ge
strichelte Linien in Fig. 25 gezeigt ist, kann zum Beispiel
ein Anschluß 630 für die gemeinsame Elektrode auf dem Trä
ger 622 vorgesehen sein. Der Anschluß 630 ist durch einen
Draht L7 an die gemeinsame Elektrode 619 angeschlossen. Da
nach wird die vorbestimmte Referenzspannung an den Anschluß
630 angelegt.
Da die gemeinsame Elektrode 619 jedoch auf der Rück
seite des Schwingungserzeugers 602 angebracht ist, ist die
Zeit, die benötigt wird, um den Draht L7 an die gemeinsame
Elektrode 619 anzuschließen, ein Problem. Wenn sich die An
zahl der Drähte erhöht, verschlechtert sich desweiteren das
Signal/Rausch-Verhältnis des Winkelgeschwindigkeitssensors
als ein Ergebnis einer unnötigen Schwingung der Drähte.
Wenn das Befestigungsteil 620 oder der Träger 622 elek
trisch isoliert ist, arbeitet es oder er als eine Antenne
für äußere elektromagnetische Felder. Demgemäß wird der
Spannungspegel davon unstabil und dies beeinträchtigt das
Erfassungssignal der Winkelgeschwindigkeit, welches ein
winziges Signal ist, und verschlechtert das Signal/Rausch-
Verhältnis des Sensors weiter.
Aus diesen Gründen ist gemäß dem sechsten Ausführungs
beispiel die gemeinsame Elektrode 619 so ausgebildet, daß
sich die gemeinsame Elektrode 619 über einem Abschnitt der
Sockelfläche 602a des Schwingungserzeugers 602 ausdehnt,
und die ausgedehnte Elektrode 619a ist elektrisch an das
Befestigungsteil 620 und den Träger 622 angeschlossen.
Als Ergebnis kann die gemeinsame Elektrode 619 auf der
Referenzspannung gehalten werden und ein Verbinden des
Drahts, der die Referenzspannung an die gemeinsame Elek
trode 619 anlegt, ist unnötig, wenn der Träger 622 an einen
Masseanschluß angeschlossen ist, der in der Erfassungs
schaltung auf der Referenzspannung gehalten wird. Demgemäß
kann die Anzahl der Drähte, die an den Schwingungserzeuger
602 angeschlossen sind, verringert werden und es benötigt
nicht so viel Zeit, die Drähte an den Schwingungserzeuger
602 anzuschließen. Desweiteren verringert der Winkelge
schwindigkeitssensor unnötige Schwingungen der Drähte und
Änderungen des Spannungspegels des Befestigungsteils 620
und des Trägers 622.
Ein Klebstoff kann verwendet werden, um den Schwin
gungserzeuger 602 und das Befestigungsteil 620 zu verbin
den. Es wird bevorzugt, einen Klebstoff zu verwenden, wel
cher nach einem Härten einen kleinen Dämpfungskoeffizienten
aufweist, zum Beispiel wärmehärtende Epoxyde.
In dem sechsten Ausführungsbeispiel ist eine gemeinsame
Elektrode 619 durch ein Ausdehnen der gemeinsamen Elektrode
619 über mindestens einem Teil der Sockelfläche 602a zu dem
Befestigungsteil 620 leitend. Jedoch kann als eine Alterna
tive, die in Fig. 26A gezeigt ist, ein leitender Klebstoff
732 verwendet werden, um eine gemeinsame Elektrode 719 und
ein Befestigungsteil 720 zu verbinden. Die gemeinsame Elek
trode 719 ist durch ein Veranlassen, daß der leitende Kleb
stoff absichtlich zu der gemeinsamen Elektrode 719 hin hin
ausgedrückt wird, elektrisch zu dem Befestigungsteil 720
leitend. Diese Struktur ist noch einfacher herzustellen,
als das sechste Ausführungsbeispiel. Außerdem kann der lei
tende Klebstoff oder eine leitende Paste nach einem Verbin
den eines Schwingungserzeugers 702 und des Befestigungs
teils 720 mit dem Klebstoff auf die gemeinsame Elektrode
719 und das Befestigungsteil 720 aufgetragen werden. In
diesem Fall ist die gemeinsame Elektrode 719 zuverlässig
elektrisch mit dem Befestigungsteil 720 verbunden.
Als eine weitere Alternative, wie sie in Fig. 26B ge
zeigt ist, kann ein hervorstehender Abschnitt 820c auf ei
nem Ende eines Verbindungsabschnitts 820b eines Befesti
gungsteils 820 ausgebildet sein, so daß der hervorstehende
abschnitt 820c eine gemeinsame Elektrode 819 berührt, wenn
der Schwingungserzeuger 802 und das Befestigungsteil 820
verbunden werden. Dieser hervorstehende Abschnitt 820c be
steht aus dem gleichen Material wie das Befestigungsteil
820. Mit dieser Struktur kann die gemeinsame Elektrode 819
durch ein hervorstehendes Teil 820b elektrisch mit dem Be
festigungsteil 820 verbunden werden. Des weiteren kann der
Schwingungserzeuger 802 noch sicherer befestigt werden, da
der hervorstehende Abschnitt 820b einen Teil der Seitenwand
des Schwingungserzeugers 802 berühren kann.
Wenn mehrere der zuvor beschriebenen Verfahren zum
elektrischen Verbinden einer gemeinsamen Elektrode 819 mit
einem Befestigungsteil 820 verwendet werden, kann die Ver
bindung noch zuverlässiger gemacht werden.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor des sechsten Ausfüh
rungsbeispiels wird so beschrieben, daß er einen Schwin
gungserzeuger 702 oder 802 beinhaltet, der die Form einer
Abstimmgabel aufweist. Jedoch können die Verfahren des
sechsten Ausführungsbeispiels zum elektrischen Verbinden
der gemeinsamen Elektrode des Befestigungsteils an einem
Winkelgeschwindigkeitssensor angewendet werden, der einen
Schwingungserzeuger irgendeiner Form aufweist.
In der vorhergehenden Beschreibung ist ein Winkelge
schwindigkeitssensor offenbart worden, der einen Schwin
gungserzeuger beinhaltet, der aus piezoelektrischem Mate
rial besteht und ein Schenkelpaar aufweist. Ein Ansteuer
elektrodenpaar ist an den Schenkeln angebracht, um Schwin
gungen in den Schenkeln zu erzeugen. Ein Erfassungselektro
denpaar welches an den Schenkeln angebracht ist, erfaßt die
Schwingungen der Schenkel. Deshalb kann das Ansteuerelek
trodenpaar verursachen, daß die Schenkel gleichmäßig und
stabil schwingen, so daß ein Signal/Rausch-Verhältnis des
W 00184 00070 552 001000280000000200012000285910007300040 0002019544338 00004 00065inkelgeschwindigkeitssensors verbessert werden kann.
Claims (40)
1. Winkelgeschwindigkeitssensor, der aufweist:
einen Schwingungserzeuger, der aus piezoelektrischem Material besteht und eine Form einer Abstimmgabel aufweist, wobei die Abstimmgabel durch einen Verbindungsabschnitt und ein Schenkelpaar ausgebildet ist, das erste Enden aufweist, die mit dem Verbindungsabschnitt verbunden sind;
ein Ansteuerelektrodenpaar, das auf einer ersten nahe zu U-förmigen Seitenfläche des Schwingungserzeugers an den Schenkeln angebracht ist und das verursacht, daß der Schwingungserzeuger schwingt;
mindestens eine Erfassungselektrode, die zwischen den Ansteuerelektroden und zweiten Enden der Schenkel, die von dem Verbindungsabschnitt entfernt sind, an den Schenkeln angebracht ist und die in Übereinstimmung mit Schwingungen mindestens eines Schenkels in einer Richtung, die senkrecht zu einer Ebene verläuft, in welcher die Schenkel liegen, ein Signal erzeugt;
eine gemeinsame Elektrode, die auf einer zweiten nahe zu U-förmigen Seitenfläche des Schwingungserzeugers an den Schenkeln angebracht ist, so daß die Ansteuerelektroden und die gemeinsame Elektrode die Schenkel beidseitig umfassen;
eine Ansteuereinrichtung, die durch ein Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Ansteuerelektroden und der ge meinsamen Elektrode verursacht, daß der Schwingungserzeuger in der senkrechten Richtung schwingt; und
eine Erfassungseinrichtung, die eine Winkelgeschwin digkeit um eine vorbestimmte Achse auf der Grundlage des Signals, das von der Erfassungselektrode erzeugt wird, er faßt.
einen Schwingungserzeuger, der aus piezoelektrischem Material besteht und eine Form einer Abstimmgabel aufweist, wobei die Abstimmgabel durch einen Verbindungsabschnitt und ein Schenkelpaar ausgebildet ist, das erste Enden aufweist, die mit dem Verbindungsabschnitt verbunden sind;
ein Ansteuerelektrodenpaar, das auf einer ersten nahe zu U-förmigen Seitenfläche des Schwingungserzeugers an den Schenkeln angebracht ist und das verursacht, daß der Schwingungserzeuger schwingt;
mindestens eine Erfassungselektrode, die zwischen den Ansteuerelektroden und zweiten Enden der Schenkel, die von dem Verbindungsabschnitt entfernt sind, an den Schenkeln angebracht ist und die in Übereinstimmung mit Schwingungen mindestens eines Schenkels in einer Richtung, die senkrecht zu einer Ebene verläuft, in welcher die Schenkel liegen, ein Signal erzeugt;
eine gemeinsame Elektrode, die auf einer zweiten nahe zu U-förmigen Seitenfläche des Schwingungserzeugers an den Schenkeln angebracht ist, so daß die Ansteuerelektroden und die gemeinsame Elektrode die Schenkel beidseitig umfassen;
eine Ansteuereinrichtung, die durch ein Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Ansteuerelektroden und der ge meinsamen Elektrode verursacht, daß der Schwingungserzeuger in der senkrechten Richtung schwingt; und
eine Erfassungseinrichtung, die eine Winkelgeschwin digkeit um eine vorbestimmte Achse auf der Grundlage des Signals, das von der Erfassungselektrode erzeugt wird, er faßt.
2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erfassungselektrode auf einer Sei
tenfläche des Schwingungserzeugers angebracht ist, welche
sich in einem rechten Winkel zu den nahezu U-förmigen Sei
tenflächen befindet und welche sich auf der Außenfläche der
Schenkel befindet.
3. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß
sich eine Ansteuerelektrode durch den Verbindungsab schnitt durchgängig von dem einen der Schenkel zu dem ande ren ausdehnt und dadurch, daß
sich die andere Ansteuerelektrode durchgängig parallel zu der einen Ansteuerelektrode ausdehnt.
sich eine Ansteuerelektrode durch den Verbindungsab schnitt durchgängig von dem einen der Schenkel zu dem ande ren ausdehnt und dadurch, daß
sich die andere Ansteuerelektrode durchgängig parallel zu der einen Ansteuerelektrode ausdehnt.
4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, gekenn
zeichnet durch einen Operationsverstärker, der ein elektri
sches Stromsignal, das von der Erfassungselektrode erfaßt
wird, aufnimmt und es in ein Spannungssignal wandelt, wobei
der Operationsverstärker eine negative Rückkopplungsschlei
fe aufweist, die einen Widerstand beinhaltet.
5. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß
die mindestens eine Erfassungselektrode eine Mehrzahl von Erfassungselektroden beinhaltet; und dadurch, daß
die Erfassungseinrichtung einen Differentialverstärker beinhaltet, welcher eine Differentialverstärkung für Erfas sungssignale aus den Erfassungselektroden, die durch ein Wandeln elektrischer Stromsignale aus den Erfassungselek troden in Spannungssignale erfaßt worden sind, durchführt.
die mindestens eine Erfassungselektrode eine Mehrzahl von Erfassungselektroden beinhaltet; und dadurch, daß
die Erfassungseinrichtung einen Differentialverstärker beinhaltet, welcher eine Differentialverstärkung für Erfas sungssignale aus den Erfassungselektroden, die durch ein Wandeln elektrischer Stromsignale aus den Erfassungselek troden in Spannungssignale erfaßt worden sind, durchführt.
6. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, gekenn
zeichnet durch eine Überwachungselektrode, die zwischen den
Ansteuerelektroden und der Erfassungselektrode auf der er
sten nahezu U-förmigen Seitenfläche des Schwingungserzeu
gers vorgesehen ist, die die Schwingungen der Schenkel
überwacht und die ein Überwachungssignal erzeugt, wobei das
Überwachungssignal an die Ansteuereinrichtung zum Erzeugen
der Wechselspannung und die Erfassungseinrichtung zum Er
fassen der Winkelgeschwindigkeit angelegt wird.
7. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 6, gekenn
zeichnet durch
eine erste Eingangsschaltung, die einen Operationsver stärker beinhaltet, der das elektrische Stromsignal, das aus der Erfassungselektrode fließt in ein erstes Spannungs signal wandelt; und
eine zweite Eingangsschaltung, die einen Operations verstärker beinhaltet, der das elektrische Stromsignal, das aus- der Überwachungselektrode fließt, in ein zweites Span nungssignal wandelt,
bei dem die Erfassungseinrichtung eine Synchrondemodu lationsschaltung beinhaltet, die das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal aufnimmt und das erste Span nungssignal unter Verwendung des zweiten Spannungssignals als ein Referenzsignal synchron demoduliert.
eine erste Eingangsschaltung, die einen Operationsver stärker beinhaltet, der das elektrische Stromsignal, das aus der Erfassungselektrode fließt in ein erstes Spannungs signal wandelt; und
eine zweite Eingangsschaltung, die einen Operations verstärker beinhaltet, der das elektrische Stromsignal, das aus- der Überwachungselektrode fließt, in ein zweites Span nungssignal wandelt,
bei dem die Erfassungseinrichtung eine Synchrondemodu lationsschaltung beinhaltet, die das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal aufnimmt und das erste Span nungssignal unter Verwendung des zweiten Spannungssignals als ein Referenzsignal synchron demoduliert.
8. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 6, gekenn
zeichnet durch
eine Eingangsschaltung, die einen Operationsverstärker beinhaltet, der das elektrische Stromsignal, das aus der Überwachungselektrode fließt in ein Spannungssignal wan delt,
bei dem die Ansteuereinrichtung einen eigenerregten Oszillator beinhaltet, der das Spannungssignal aufnimmt und die an die Ansteuerelektrode anzulegende Wechselspannung auf der Grundlage des Spannungssignals erzeugt.
eine Eingangsschaltung, die einen Operationsverstärker beinhaltet, der das elektrische Stromsignal, das aus der Überwachungselektrode fließt in ein Spannungssignal wan delt,
bei dem die Ansteuereinrichtung einen eigenerregten Oszillator beinhaltet, der das Spannungssignal aufnimmt und die an die Ansteuerelektrode anzulegende Wechselspannung auf der Grundlage des Spannungssignals erzeugt.
9. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ansteuereinrichtung eine in einer
Signalübertragungsleitung vorgesehene Filtereinrichtung be
inhaltet, in welcher die Wechselspannung aus dem Spannungs
signal erzeugt wird, um Signalkomponenten zu entfernen, die
anders als die Frequenzkomponenten sind, welche notwendig
sind, um zu verursachen, daß die Schenkel schwingen.
10. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 7, gekenn
zeichnet durch eine Abschirmeinrichtung, die eine Si
gnalübertragungsleitung von der Erfassungselektrode zu der
ersten Eingangsschaltung mit einem vorbestimmten Referenz
spannungspegel abschirmt.
11. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 7, gekenn
zeichnet durch eine Abschirmeinrichtung, die eine Si
gnalübertragungsleitung von der Überwachungselektrode zu
der zweiten Eingangsschaltung mit einem vorbestimmten Refe
renzspannungspegel abschirmt.
12. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß
die Ansteuerelektroden, die Überwachungselektrode und die Erfassungselektrode so auf den Schenkeln angebracht sind, daß ihre Anordnungen auf den Schenkeln zueinander symmetrisch sind; und dadurch, daß
Drähte zum Anschließen der Ansteuerelektroden, der Überwachungselektrode und der Erfassungselektrode zueinan der symmetrisch sind.
die Ansteuerelektroden, die Überwachungselektrode und die Erfassungselektrode so auf den Schenkeln angebracht sind, daß ihre Anordnungen auf den Schenkeln zueinander symmetrisch sind; und dadurch, daß
Drähte zum Anschließen der Ansteuerelektroden, der Überwachungselektrode und der Erfassungselektrode zueinan der symmetrisch sind.
13. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß
mehrere Überwachungselektroden auf den Schenkeln vor gesehen sind;
mindestens eine der mehreren Überwachungselektroden verwendet wird, um das Überwachungssignal zu erzeugen; und dadurch, daß
ein Rest der mehreren Überwachungselektroden auf einem vorbestimmten Referenzspannungspegel gehalten wird.
mehrere Überwachungselektroden auf den Schenkeln vor gesehen sind;
mindestens eine der mehreren Überwachungselektroden verwendet wird, um das Überwachungssignal zu erzeugen; und dadurch, daß
ein Rest der mehreren Überwachungselektroden auf einem vorbestimmten Referenzspannungspegel gehalten wird.
14. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß Spalte zwischen angrenzenden Elektroden
auf den Schenkeln auf 0.1 mm oder mehr eingestellt sind.
15. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erfassungselektrode auf der ersten
nahezu U-förmigen Seitenfläche des Schwingungserzeugers an
gebracht ist.
16. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß
sich eine Ansteuerelektrode durch den Verbindungsab schnitt durchgängig von dem einen der Schenkel zu dem ande ren ausdehnt; und dadurch, daß
sich die andere Ansteuerelektrode durchgängig parallel zu der einen Ansteuerelektrode ausdehnt.
sich eine Ansteuerelektrode durch den Verbindungsab schnitt durchgängig von dem einen der Schenkel zu dem ande ren ausdehnt; und dadurch, daß
sich die andere Ansteuerelektrode durchgängig parallel zu der einen Ansteuerelektrode ausdehnt.
17. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 15, gekenn
zeichnet durch einen Operationsverstärker, der ein elektri
sches Stromsignal aufnimmt, das von der Erfassungselektrode
erfaßt wird, und es in ein Spannungssignal wandelt, wobei
der Operationsverstärker eine negative Rückkopplungsschlei
fe aufweist, die einen Widerstand beinhaltet.
18. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 15, gekenn
zeichnet durch eine Überwachungselektrode, die zwischen den
Ansteuerelektroden und der Erfassungselektrode auf der er
sten nahezu U-förmigen Seitenfläche des Schwingungserzeu
gers vorgesehen ist, die die Schwingungen der Schenkel
überwacht und die ein Überwachungssignal erzeugt, wobei das
Überwachungssignal an die Ansteuereinrichtung zum Erzeugen
der Wechselspannung und an die Erfassungseinrichtung zum
Erfassen der Winkelgeschwindigkeit angelegt wird.
19. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß Spalte zwischen angrenzenden Elektroden
auf den Schenkeln auf 0.1 mm oder mehr eingestellt sind.
20. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens eine Erfassungselektrode
eine Mehrzahl von Erfassungselektroden beinhaltet, die auf
den Schenkeln angeordnet sind, wobei die Erfassungselektro
den an Positionen angeordnet sind, die sich näher an den
zweiten Enden der Schenkel als die Ansteuerelektroden be
finden.
21. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 20, dadurch
gekennzeichnet, daß
sich eine Ansteuerelektrode durch den Verbindungsab schnitt durchgängig von einem der Schenkel zu dem anderen ausdehnt; und dadurch, daß
sich die andere Ansteuerelektrode durchgängig parallel zu der einen Ansteuerelektrode ausdehnt.
sich eine Ansteuerelektrode durch den Verbindungsab schnitt durchgängig von einem der Schenkel zu dem anderen ausdehnt; und dadurch, daß
sich die andere Ansteuerelektrode durchgängig parallel zu der einen Ansteuerelektrode ausdehnt.
22. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 20, gekenn
zeichnet durch eine Mehrzahl von Operationsverstärkern, von
denen jeweils einer ein jeweiliges der elektrischen Strom
signale aufnimmt, die von allen Erfassungselektroden erfaßt
werden, und das jeweilige elektrische Stromsignal in ein
Spannungssignal wandelt, wobei jeder Operationsverstärker
eine negative Rückkopplungsschleife aufweist, die einen Wi
derstand beinhaltet.
23. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 20, gekenn
zeichnet durch eine Überwachungselektrode, die zwischen den
Ansteuerelektroden und den Erfassungselektroden auf der er
sten nahezu U-förmigen Seitenfläche des Schwingungserzeu
gers vorgesehen ist, die die Schwingungen der Schenkel
überwacht und die ein Überwachungssignal erzeugt, wobei das
Überwachungssignal an die Ansteuereinrichtung zum Erzeugen
der Wechselspannung und an die Erfassungseinrichtung zum
Erfassen der Winkelgeschwindigkeit angelegt wird.
24. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spalte zwischen angrenzenden Elek
troden auf den Schenkeln auf 0.1 mm oder mehr eingestellt
sind.
25. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, gekenn
zeichnet durch ein Befestigungsteil, das den Schwingungser
zeuger an einem Objekt befestigt, bei welchem eine Winkel
geschwindigkeit zu erfassen ist, wobei das Befestigungsteil
zwischen dem Verbindungsabschnitt des Schwingungserzeugers
und dem Objekt angeordnet ist.
26. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 25, dadurch
gekennzeichnet, daß das Befestigungsteil einen dünnen Ab
schnitt beinhaltet, der schmäler als eine Breite des Ver
bindungsabschnitts des Schwingungserzeugers ausgebildet
ist.
27. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 25, dadurch
gekennzeichnet, daß der dünne Abschnitt bezüglich einer
Mitte einer Schwingung des Schwingungserzeugers symmetrisch
ausgebildet ist.
28. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 26, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Kontaktfläche des Befestigungs
teils so ausgebildet ist, daß sie die gleiche Form wie eine
Sockelfläche des Schwingungserzeugers aufweist.
29. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 26, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger und das Befe
stigungsteil so ausgebildet sind, daß die nachstehende
Gleichung erfüllt ist:
Ea×a = Eb×bwobei "Ea" das Elastizitätsmodul des Schwingungserzeugers
ist, "a" die Dicke des Verbindungsabschnitts ist, "Eb" das
Elastizitätsmodul des Befestigungsteils ist und "b" eine
Länge von der Kontaktfläche zu dem dünnen Abschnitt des Be
festigungsteils ist.
30. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 28, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger und das Befe
stigungsteil so ausgebildet sind, daß die nachstehende
Gleichung erfüllt ist:
{b/(a + b)}×Eb/Ea 1.2wobei "Ea" das Elastizitätsmodul des Schwingungserzeugers
ist, "a" die Dicke des Verbindungsabschnitts ist, "Eb" das
Elastizitätsmodul des Befestigungsteils ist und "b" eine
Länge von der Kontaktfläche zu dem dünnen Abschnitt des Be
festigungsteils ist.
31. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 28, gekenn
zeichnet durch eine Klebstoffschicht, die eine Dicke von 20
µm oder weniger aufweist und die zwischen der Kontaktfläche
des Befestigungsteils und der Sockelfläche des Schwingungs
erzeuger vorgesehen ist.
32. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 25, dadurch
gekennzeichnet, daß
das Befestigungsteil durch ein leitendes Metall ausge bildet ist; und dadurch, daß
es an die gemeinsame Elektrode angeschlossen ist, um auf einem vorbestimmten Referenzspannungspegel gehalten zu werden.
das Befestigungsteil durch ein leitendes Metall ausge bildet ist; und dadurch, daß
es an die gemeinsame Elektrode angeschlossen ist, um auf einem vorbestimmten Referenzspannungspegel gehalten zu werden.
33. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 32, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die gemeinsame Elektrode über ei
nem Abschnitt einer Sockelfläche des Schwingungserzeugers
ausdehnt, um einen Kontakt mit dem Befestigungsteil sicher
zustellen.
34. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 32, gekenn
zeichnet durch einen leitenden hervorstehenden Abschnitt,
der in der Nähe einer Kontaktfläche des Befestigungsteils
an dem Schwingungserzeuger ausgebildet ist, wobei sich der
leitende hervorstehende Abschnitt in einem elektrischen
Kontakt zu der gemeinsamen Elektrode befindet.
35. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 32, dadurch
gekennzeichnet, daß
der Schwingungserzeuger und das Befestigungsteil durch
einen leitenden Klebstoff verbunden sind; und dadurch, daß
der leitende Klebstoff hinausgedrückt wird, um die ge
meinsame Elektrode zu berühren.
36. Winkelgeschwindigkeitssensor, der aufweist:
einen Schwingungserzeuger, der aus piezoelektrischem Material besteht;
ein Befestigungsteil, das den Schwingungserzeuger an einem Objekt befestigt, bei welchem eine Winkelgeschwindig keit zu erfassen ist, wobei das Befestigungsteil zwischen dem Schwingungserzeuger und dem Objekt befestigt ist und wobei das Befestigungsteil einen dünnen Abschnitt aufweist, der schmäler als die Breite des Schwingungserzeugers ausge bildet ist;
mindestens eine Ansteuerelektrode, die an den Schwin gungserzeuger angebracht ist und die verursacht, daß der Schwingungserzeuger schwingt;
mindestens eine Erfassungselektrode, die an den Schwingungserzeuger angebracht ist und die in Übereinstim mung mit Schwingungen des Schwingungserzeugers ein Signal erzeugt;
eine gemeinsame Elektrode, die so an den Schwingungs erzeuger angebracht ist, das die Ansteuerelektrode und die gemeinsame Elektrode den Schwingungserzeuger beidseitig um fassen;
eine Ansteuereinrichtung, die durch ein Anlegen einer Wechselspannung zwischen der Ansteuerelektrode und der ge meinsamen Elektrode verursacht, daß der Schwingungserzeuger schwingt; und
eine Erfassungseinrichtung, die eine Winkelgeschwin digkeit um eine vorbestimmte Achse auf der Grundlage des Signals, das von der Erfassungselektrode erfaßt wird, er faßt.
einen Schwingungserzeuger, der aus piezoelektrischem Material besteht;
ein Befestigungsteil, das den Schwingungserzeuger an einem Objekt befestigt, bei welchem eine Winkelgeschwindig keit zu erfassen ist, wobei das Befestigungsteil zwischen dem Schwingungserzeuger und dem Objekt befestigt ist und wobei das Befestigungsteil einen dünnen Abschnitt aufweist, der schmäler als die Breite des Schwingungserzeugers ausge bildet ist;
mindestens eine Ansteuerelektrode, die an den Schwin gungserzeuger angebracht ist und die verursacht, daß der Schwingungserzeuger schwingt;
mindestens eine Erfassungselektrode, die an den Schwingungserzeuger angebracht ist und die in Übereinstim mung mit Schwingungen des Schwingungserzeugers ein Signal erzeugt;
eine gemeinsame Elektrode, die so an den Schwingungs erzeuger angebracht ist, das die Ansteuerelektrode und die gemeinsame Elektrode den Schwingungserzeuger beidseitig um fassen;
eine Ansteuereinrichtung, die durch ein Anlegen einer Wechselspannung zwischen der Ansteuerelektrode und der ge meinsamen Elektrode verursacht, daß der Schwingungserzeuger schwingt; und
eine Erfassungseinrichtung, die eine Winkelgeschwin digkeit um eine vorbestimmte Achse auf der Grundlage des Signals, das von der Erfassungselektrode erfaßt wird, er faßt.
37. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 36, dadurch
gekennzeichnet, daß der dünne Abschnitt bezüglich einer
Mitte einer Schwingung des Schwingungserzeugers symmetrisch
ausgebildet ist.
38. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 37, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Kontaktfläche des Befestigungs
teils so ausgebildet ist, daß sie die gleiche Form wie die
Sockelfläche des Schwingungserzeugers aufweist.
39. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 36, gekenn
zeichnet durch eine Klebstoffschicht, die eine Dicke von 20
µm oder weniger aufweist und die zwischen einer Kontaktflä
che des Befestigungsteils und einer Sockelfläche des
Schwingungserzeugers vorgesehen ist.
40. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 36, dadurch
gekennzeichnet, daß das Befestigungsteil aus leitendem Me
tall ausgebildet ist und an die gemeinsame Elektrode ange
schlossen ist, um auf einem vorbestimmten Referenzspan
nungspegel gehalten zu werden.
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JP06293117 | 1994-11-28 | ||
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JP7168723A JPH08210860A (ja) | 1994-11-28 | 1995-07-04 | 角速度センサ |
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