DE19821260A1

DE19821260A1 - Schwingelement des Stimmgabeltyps und Schwingkreisel des Stimmgabeltyps

Info

Publication number: DE19821260A1
Application number: DE19821260A
Authority: DE
Inventors: Masanori Yachi; Hiroshi Ishikawa; Yoshio Satoh; Kazutsugu Kikuchi
Original assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Towa Electron Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Towa Electron Ltd
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 1999-07-01
Also published as: US6105426A; JPH11183176A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwingelement des Stimmgabeltyps mit zwei Armen, die eine Stimmgabel bilden und torsional schwingen, und einer Basis, die diese zwei Arme stützt, und ein Schwingkreisel des Stimmgabeltyps, der solch ein Schwingelement des Stimmgabeltyps umfaßt, um die Drehwinkelgeschwindigkeit zu detektieren.

Beschreibung der verwandten Technik

Ein Gyroskop ist als Mittel zum Identifizieren der Position eines sich bewegenden Objektes wie etwa eines Flugzeugs, eines großen Fahrzeugs, eines Weltraumsatelliten und dergleichen verwendet worden. In letzter Zeit wird es zum Detektieren der Schwingung von Vorrichtungen auf dem zivilen Sektor genutzt, wie zum Beispiel bei der Navigation von Autos, bei VTRs, bei Stehbildkameras und dergleichen.

Von diesen Gyroskopen ist ein Schwingkreisel in der Praxis eingesetzt worden, der unter Verwendung eines piezo elektrischen Elementes hergestellt wird. Der piezoelektri sche Schwingkreisel wird unter Nutzung des Prinzips herge stellt, daß dann, wenn eine Drehwinkelgeschwindigkeit auf ein Objekt wirkt, das mit einer vorbestimmten Rate schwingt, eine Coriolis-Kraft in rechtwinkliger Richtung zu der Schwingung gebildet wird. Verschiedene Typen von solchen piezoelektrischen Schwingkreiseln sind vorgeschlagen worden. Vor allem ist in letzter Zeit mit Nachdruck die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet von Schwingkreiseln des Stimmgabeltyps betrieben worden, bei denen ein piezoelektri scher Einkristall genutzt wird, wobei nach einer Lösung zur Größenverringerung und Verkürzung von Kreiseln gesucht wurde.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der allgemeinen Struktur eines Schwingelementes des Stimmgabeltyps 1, das für einen Schwingkreisel des Stimmgabeltyps verwendet wird. Das Schwingelement des Stimmgabeltyps 1 enthält zwei Arme 2, 3 in rechteckiger Parallelepipedform mit quadratischer Bodenfläche und eine Basis 4 in rechteckiger Parallelepiped form, die die Arme 2, 3 stützt. Diese Arme 2, 3 und die Basis 4 sind in einem Stück aus einem piezoelektrischen Einkristall wie LiTaO₃, LiNbO₃ oder dergleichen gebildet. Das Schwingelement des Stimmgabeltyps 1, das diese Struktur hat, wird auf einem Objekt angebracht, dessen Drehwinkel geschwindigkeit detektiert werden soll, und die Arme 2, 3 werden torsional geschwungen. Wenn die Drehwinkelgeschwin digkeit auf das Objekt wirkt, wird eine elektromotorische Kraft, die durch die Coriolis-Kraft erzeugt wird, die in rechtwinkliger Richtung zu der Torsionsschwingung gebildet wird, detektiert, um die Drehwinkelgeschwindigkeit des Objektes zu detektieren.

Fig. 2 zeigt, wie das Schwingelement des Stimmgabeltyps 1 torsional schwingt. In Fig. 2 kennzeichnen die Pfeile die Richtung der Torsionsschwingung, wobei die Positionen der Arme 2, 3 vor und nach der Torsionsschwingung durch gestri chelte Linien bzw. durchgehende Linien markiert sind. Wenn die Torsionsschwingung erzeugt wird, die in Fig. 2 gezeigt ist, bewirkt die Schwingung nicht nur ein Rotieren der Arme 2, 3, sondern auch der Basis 4. In diesem Fall besteht ein Problem darin, daß die Stützeinheit (Knoteneinheit) des Schwingelementes des Stimmgabeltyps 1 nur das Zentrum der Rotation stützt, so daß der Halt für die externe Schwingung abgeschwächt ist. Falls andererseits der Halt verstärkt wird, besteht das Problem darin, daß der Q-Wert verringert wird.

Um diese Probleme zu lösen, ist das Schwingelement des Stimmgabeltyps 1 mit der in Fig. 3 gezeigten Struktur vorge schlagen worden. Das Schwingelement des Stimmgabeltyps 1 hat eine H-Typ-Struktur mit zwei Armen 12, 13, die auf der gegenüberliegenden Seite der Basis 4 zusätzlich zu den Armen 2, 3 vorgesehen sind. Bei dem Schwingelement des Stimmgabel typs 1, das diese H-Typ-Struktur hat, wird die Rotation der Basis 4 durch Erzeugen einer Torsionsschwingung durch jedes Paar der Arme 2, 3 und der Arme 12, 13 verhindert, wodurch mit zwei Torsionsschwingungen doppelte Torsionsbedingungen gebildet werden. Als Resultat wird der Halt für die externe Schwingung erleichtert, wodurch der Q-Wert der Torsions schwingung verstärkt wird.

Gemäß dem H-Typ-Schwingelement des Stimmgabeltyps 1, das in Fig. 3 gezeigt ist, besteht jedoch ein Problem darin, daß die Arme 12, 13 die gesamte Länge des Schwingelementes 1 verlängern, wodurch der Nachfrage nach einem kleineren und kürzeren Schwingelementkreisel des Stimmgabeltyps nicht entsprochen werden kann. Ein anderes Problem liegt darin, daß das Ausbalancieren der oberen Arme 2, 3 und der unteren Arme 12, 13 die Bearbeitung der Arme erschwert und die Produktivität verringert, wodurch es zu einem Ansteigen der Bearbeitungskosten und der Kosten der Bauelemente kommt.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schwingelement des Stimmgabeltyps vorzusehen, bei dem der Q-Wert verstärkt werden kann, ohne seine gesamte Länge zu verlängern, und das eine gute Produktivität aufweist, und ferner, einen Schwingkreisel des Stimmgabeltyps vorzusehen, bei dem solch ein Schwingelement des Stimmgabeltyps genutzt wird.

Das Schwingelement des Stimmgabeltyps der vorliegenden Erfindung umfaßt zwei Arme, die eine Stimmgabel bilden und torsional schwingen, und eine Basis, die die zwei Arme stützt, bei dem das Verhältnis der Summe der Trägheits momente der Basis zu einem Trägheitsmoment der zwei Arme 1,0 oder mehr beträgt, wobei das Trägheitsmoment der zwei Arme erhalten wird, indem das Quadrat des Abstandes von der Mittelachse der Torsionsschwingung der zwei Arme zu dem Schwerezentrum der zwei Arme mit der Masse der zwei Arme multipliziert wird, und das Trägheitsmoment der Basis erhal ten wird, indem das Quadrat des Rotationsradius von der Mittelachse der Torsionsschwingung mit der Teilmasse der Basis multipliziert wird.

Bei solch einem Schwingelement des Stimmgabeltyps beträgt das Verhältnis der Breite der Basis zu der Breite des Armes 1,0 oder mehr. Bei solch einem Schwingelement des Stimmgabeltyps ist die Länge der Basis länger als die Länge der Arme. Bei solch einem Schwingelement des Stimmgabeltyps enthält die Basis einen Basishauptkörper und eine oder mehrere Zusatzmasseeinheiten, und der Basishauptkörper und die Zusatzmasseeinheit bilden die Trägheitsmomente der Basis. Die Zusatzmasseeinheit hat eine Härte von 50 kg/cm² oder mehr. In solch einem Schwingelement des Stimmgabeltyps enthält die Basis ferner eine Hafteinheit zum Bekleben des Basishauptkörpers mit der Zusatzmasseeinheit, welche Haft einheit eine Härte von 50 kg/cm² oder mehr innerhalb eines Nutzungstemperaturbereiches hat. Bei solch einem Schwing element des Stimmgabeltyps ist ein Stützglied im wesentli chen in der Mitte der Rotationsbewegung der Basis vorgese hen, um die Basis zu stützen.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird wie folgt beschrieben. Wenn die Stützeinheit die Torsionsschwingung des Schwingelementes des Stimmgabeltyps 1 unterdrückt, das in Fig. 2 gezeigt ist, oder wenn die Stützeinheit den Ener gieverlust der Schwingung reduziert, kann das Moment M, das durch die Arme 2, 3 erzeugt wird, durch die folgende Bewe gungsgleichung (1) ausgedrückt werden.

M = I × (d²θ/dt²) + Kθ (1).

In dieser Gleichung ist
θ: der Drehwinkel der Basis 4, der durch die Torsions schwingung erzeugt wird
K: die Repulsion der Stützeinheit (einschließlich Dämp fung)
I: die Summe der Trägheitsmomente der Basis 4 von der Rotationsachse der Torsionsschwingung (die durch die fol gende Gleichung (2) genauer dargestellt wird)

I = ∫ r₁ ² dm₁ + ∫ r₂ ² dm₂ + -------- + ∫ r_n ² dm_n (2)

r_i (1 ≦ i ≦ n): der i-te Rotationsradius der Basis 4
m_i (1 ≦ i ≦ n): die i-te Teilmasse der Basis 4.

Diese Gleichungen zeigen, daß die Bewegung der Basis 4 durch Erhöhen der Summe der Trägheitsmomente I reduziert werden kann, wodurch θ verringert wird, das die Rotations bewegung der Basis 4 darstellt, so daß die Basis 4 durch die Stützeinheit weniger beeinträchtigt werden kann. Somit kann θ durch Erhöhen der Trägheitsmomente der Basis 4 verringert werden, und als Resultat kann das Schwingelement des Stimm gabeltyps 1 mit einem hohen Q-Wert realisiert werden, ohne die H-Typ-Struktur (wie in Fig. 3 gezeigt) mit einer langen Gesamtlänge und einer niedrigen Produktivität zu verwenden.

Gemäß dem Schwingelement des Stimmgabeltyps 1 der vor liegenden Erfindung wird der Q-Wert erhöht, indem das Ver hältnis der Summe der Trägheitsmomente der Basis zu dem Trägheitsmoment beider Arme auf 1,0 oder mehr gebracht wird. Als Mittel zum Vergrößern der Trägheitsmomente der Basis können die Größen der Arme und der Basis verändert werden. Genauer gesagt, das Verhältnis der Breite der Basis zu der Breite der Arme wird festgelegt, um einem vorbestimmten Verhältnis gleich oder größer als dieses zu sein, und/oder die Basis wird länger als die Arme gebildet.

Als anderes Mittel zum Vergrößern der Trägheitsmomente der Basis kann die Basis mit einer oder mehreren Zusatzmas seeinheiten versehen sein, unter Berücksichtigung dessen, daß es nicht erforderlich ist, die Trägheitsmomente durch ein piezoelektrisches Element zu erzeugen. Die Zusatzmasse einheit muß jedoch ein starrer Körper mit einer Härte von 50 kg/cm² oder mehr sein, um die Trägheitsmomente zu erzeugen. Die Hafteinheit zum Ankleben der Zusatzmasseeinheit an der Basis muß auch eine Härte von 50 kg/cm² oder mehr wie die Zusatzmasseeinheit haben.

Es ist vorzuziehen, ein Stützglied zum Stützen der Basis am Rotationszentrum vorzusehen, um den Q-Wert zu erhöhen.

Durch die oben erwähnte Struktur erreicht das Schwing element des Stimmgabeltyps der vorliegenden Erfindung den hohen Q-Wert, ohne dessen Gesamtlänge zu verlängern. Zusätz lich kann ein Schwingelement des Stimmgabeltyps mit einer guten Produktivität vorgesehen werden. Demzufolge kann unter Verwendung solch eines Schwingelementes des Stimmgabeltyps ein Schwingkreisel des Stimmgabeltyps vorgesehen werden, der klein und kurz ist und sich durch niedrige Kosten auszeich net.

Die obigen und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der allgemeinen Struktur des Schwingelementes des Stimmgabeltyps, das für einen Schwingkreisel des Stimmgabeltyps verwendet wird.

Fig. 2 ist eine Ansicht, die zeigt, wie das Schwing element des Stimmgabeltyps torsional schwingt.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der Struktur eines herkömmlichen Schwingelementes des Stimmgabeltyps.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Schwingelementes des Stimmgabeltyps der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, die die Bezie hung zwischen dem Verhältnis der Summe der Trägheitsmomente der Basis zu dem Trägheitsmoment der Arme und dem Q-Wert der Torsionsschwingung zeigt.

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Schwingelementes des Stimmgabeltyps der ersten Ausfüh rungsform.

Fig. 7 ist eine grafische Darstellung, die die Bezie hung zwischen der Basisbreite W_B und dem Momentverhältnis M_B/M_A zeigt.

Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, die die Bezie hung zwischen der Länge ab dem Ende der Arme und der Verset zung der Stützeinheit zeigt, wenn die Basisbreite W_B verän dert wird.

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Schwingelementes des Stimmgabeltyps der zweiten Aus führungsform.

Fig. 10 eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Basislänge L_B und dem Momentverhältnis M_B/M_A zeigt.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Schwingelementes des Stimmgabeltyps der dritten Aus führungsform.

Fig. 12 ist eine grafische Darstellung, die die Bezie hung zwischen der Basisbreite W_B, die die Breite der Zusatz masseeinheit enthält, und dem Momentverhältnis M_B/M_A zeigt.

Fig. 13 ist eine grafische Darstellung, die die Bezie hung zwischen der Härte der Haftschicht und dem Q-Wert der Torsionsschwingung zeigt.

Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Beispiels der Zusatzmasseeinheit.

Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren anderen Beispiels der Zusatzmasseeinheit.

Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren anderen Beispiels der Zusatzmasseeinheit.

Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren anderen Beispiels der Zusatzmasseeinheit.

Fig. 18A und 18B sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Draufsicht auf die Struktur eines Schwingelementes des Stimmgabeltyps der vierten Ausführungsform.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden im folgen den die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung be schrieben.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Struktur des Schwingelementes des Stimmgabeltyps der vorliegenden Erfindung. Das Schwingelement des Stimmgabeltyps 1 umfaßt zwei Arme 2, 3 in rechteckiger Parallelepipedform mit qua dratischer Bodenfläche und eine Basis 4 in rechteckiger Parallelepipedform, die diese Arme 2, 3 stützt. Die zwei Arme 2, 3 haben eine identische Form, und jeder hat eine Länge (Armlänge) L_A, eine Breite (Armbreite) W_A, eine Dicke (Armdicke) T_A und einen Abstand (Armzwischenabstand) D zu dem anderen. Die Basis 4 hat eine Länge (Basislänge) L_B und eine Breite (Basisbreite) W_B.

Der Schwingkreisel des Stimmgabeltyps, der das Schwing element des Stimmgabeltyps 1 enthält, das so konstruiert ist, wird an einem Objekt angebracht, dessen Drehwinkel geschwindigkeit detektiert werden soll, und die Arme 2, 3 werden torsional geschwungen. Wenn die Drehwinkelgeschwin digkeit auf das Objekt wirkt, wird eine elektromotorische Kraft, die durch die Coriolis-Kraft erzeugt wird, die in rechtwinkliger Richtung zu der Torsionsschwingung gebildet wird, detektiert, um die Drehwinkelgeschwindigkeit des Objektes zu detektieren.

Gemäß dem Schwingelement des Stimmgabeltyps 1 der vor liegenden Erfindung beträgt das Verhältnis der Summe der Trägheitsmomente der Basis 4 zu dem Trägheitsmoment der Arme 2, 3 1,0 oder mehr, und vorzugsweise 1,0 bis 9,0. Das Träg heitsmoment der Arme 2, 3 wird berechnet, indem das Quadrat des Rotationsradius, welcher der Abstand von der zentralen Achse der Torsionsschwingung als Mittelposition zwischen den Armen 2, 3 zu dem Schwerezentrum der Arme 2, 3 ist, mit der Masse der Arme 2, 3 multipliziert wird. Das Trägheitsmoment der Basis 4 wird berechnet, indem die Teilmasse der Basis 4 mit dem Quadrat des Rotationsradius von der zentralen Achse derselben Torsionsschwingung multipliziert wird.

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, die die Bezie hung zwischen dem Verhältnis der Summe der Trägheitsmomente der Basis zu dem Trägheitsmoment der Arme und dem Q-Wert der Torsionsschwingung zeigt. Die Abszisse gibt den Wert des Verhältnisses an, und die Ordinate stellt den Q-Wert dar, wodurch deren Eigenschaft angegeben wird. Wenn der Wert des Verhältnisses der Summe der Trägheitsmomente der Basis zu dem Trägheitsmoment der Arme größer wird, wird der Q-Wert der Torsionsschwingung höher. Wenn der Wert des Verhältnis ses 1,0 oder größer ist, wird der Q-Wert groß genug, um die präzise Detektion der Drehwinkelgeschwindigkeit auszuführen. Wenn der Wert des Verhältnisses 9,0 oder größer ist, ist der Q-Wert ungefähr konstant; jedoch wird dabei die Größe der Mittel zum Erhöhen des Wertes des Verhältnisses vergrößert (die Basis und die Zusatzmasseeinheit), so daß dies für den praktischen Einsatz nicht zweckmäßig ist. Der beste Wert für den Q-Wert für den praktischen Einsatz beträgt 2000 oder mehr.

Das folgende ist eine Beschreibung der Ausführungsfor men der vorliegenden Erfindung, bei denen ein großer Wert des Momentverhältnisses erreicht werden kann.

AUSFÜHRUNGSFORM 1

Die erste Ausführungsform zeigt ein Beispiel, wie in Fig. 6 dargestellt, bei dem das Trägheitsmoment der Basis 4 durch Erweitern der Breite der Basis 4 (Basisbreite W_B) erhöht wird, um den Wert des Verhältnisses des obengenannten Momentes zu vergrößern.

TABELLE 1 zeigt die Resultate des Trägheitsmomentes der Arme 2, 3 (Armmoment: M_A), die Summe der Trägheitsmomente der Basis (Basismoment: M_B) und das Verhältnis des Basis momentes zu dem Armmoment (Momentverhältnis: M_B/M_A), wenn die Breite der Basis 4 (Basisbreite W_B) innerhalb des Berei ches von 2,90 bis 3,90 mm in Schritten von 0,10 mm verändert wird, unter den Bedingungen, daß die Größen der Arme 2, 3 (Armlänge L_A = 8,00 mm, Armbreite W_A = 1,00 mm, Armdicke T_A = 1,00 mm, Armzwischenabstand D = 0,45 mm) und die Länge der Basis 4 (Basislänge L_B = 4,00 mm) feststehend sind. Die Beziehung zwischen der Basisbreite W_B und dem Momentverhält nis M_B/M_A, die in TABELLE 1 gezeigt ist, ist in der grafi schen Darstellung von Fig. 7 dargestellt, wobei die Abszisse und die Ordinate die erstere bzw. das letztere angeben.

TABELLE 1

(Längeneinheit: mm)

Wie in TABELLE 1 und Fig. 7 gezeigt, wird das Basis moment M_B erhöht, wenn die Basisbreite W_B zunimmt, wodurch das Momentverhältnis M_B/M_A entsprechend vergrößert wird. Indem die Basisbreite W_B wenigstens auf 3,30 mm oder mehr gebracht wird, kann das Momentverhältnis M_B/M_A von mehr als 1,0 realisiert werden.

Die Versetzung der Stützeinheit des Schwingelementes des Stimmgabeltyps 1 in dem Fall, wenn die Breite der Basis 4 (Basisbreite W_B) verändert wird, wird simuliert. Die Resultate sind in Fig. 8 gezeigt. Bei dem Beispiel von Fig. 8 ist die Länge der Arme 2, 3 (Armlänge L_A) auf 7 mm fest gelegt, und die Simulationsresultate der drei Basisbreiten W_B sind gezeigt, wobei die Abszisse die Länge ab den vorde ren Enden der Arme 2, 3 darstellt und die Ordinate die Versetzung der Stützeinheit darstellt. Die Position 7 (mm) an der Abszisse bezeichnet die Grenze der Arme 2, 3 und der Basis 4, die Linie mit den Zeichen - kennzeichnet die Basisbreite W_B von 10,3 mm, die Linie mit den Zeichen Δ-Δ kennzeichnet die Basisbreite W_B von 6,3 mm, und die Linie mit den Symbolen ○-○ kennzeichnet die Basisbreite W_B von 2,3 mm. Es versteht sich, daß dann, wenn das Trägheitsmoment durch Erweitern der Breite der Basis 4 vergrößert wird, die Rotation der Basis 4 abnimmt und die Versetzung der Rotati onsbewegung kleiner wird.

AUSFÜHRUNGSFORM 2

Die zweite Ausführungsform zeigt ein Beispiel, wie in Fig. 9 dargestellt, bei dem das Trägheitsmoment der Basis 4 durch Erweitern der Länge der Basis 4 (Basislänge L_B) ver größert wird, um den Wert des Momentverhältnisses zu erhö hen.

TABELLE 2 zeigt die Resultate des Trägheitsmomentes der Arme 2, 3 (Armmoment: M_A), die Summe des Trägheitsmomentes der Basis 4 (Basismoment: M_B) und das Verhältnis des Basis momentes zu dem Armmoment (Momentverhältnis: M_B/M_A), wenn die Länge der Basis 4 (Basislänge L_B) innerhalb des Berei ches von 4,00 bis 14,00 mm in Schritten von 1,00 mm verän dert wird, unter den Bedingungen, daß die Größen der Arme 2, 3 (Armlänge L_A = 8,00 mm, Armbreite W_A = 1,00 mm, Armdicke T_A = 1,00 mm, Armzwischenabstand D = 0,45 mm) und die Breite der Basis 4 (Basisbreite W_B = 2,45 mm) feststehend sind. Die Beziehung zwischen der Basislänge L_B und dem Momentverhält nis M_B/M_A, die in TABELLE 2 gezeigt ist, ist in der grafi schen Darstellung von Fig. 10 angegeben, wobei die Abszisse und die Ordinate die erstere bzw. das letztere darstellen.

TABELLE 2

(Längeneinheit: mm)

Wie in TABELLE 2 und Fig. 10 gezeigt, wird das Basis moment M_B erhöht, wenn die Basislänge L_B zunimmt, wodurch das Momentverhältnis M_B/M_A entsprechend vergrößert wird. Indem die Basislänge L_B wenigstens auf 10,00 mm oder mehr gebracht wird, kann das Momentverhältnis M_B/M_A von größer als 1,0 realisiert werden.

AUSFÜHRUNGSFORM 3

Die dritte Ausführungsform zeigt ein Beispiel, wie in Fig. 11 dargestellt, bei dem das Trägheitsmoment der Basis 4 erhöht wird, indem eine Zusatzmasseeinheit 5 auf beiden Seiten der Basis 4 durch eine Haftschicht 6 vorgesehen wird, um den Wert des Momentverhältnisses zu vergrößern. Die Zusatzmasseeinheit 5 muß ein starres Glied sein, das eine Härte von 50 kg/cm² oder mehr hat, wie etwa Kupfer, um das Trägheitsmoment zu sein. Das Trägheitsmoment wird effektiver erhöht, wenn das Material der Zusatzmasseeinheit 5 eine größere Dichte hat; jedoch kann mit dem Effekt zum Vergrö ßern des Trägheitsmomentes gerechnet werden, falls das Material starr ist, auch wenn es eine niedrige Dichte hat. Die Haftschicht 6 wird aus einem Epoxyharz hergestellt.

TABELLE 3 zeigt die Resultate des Trägheitsmomentes der Arme 2, 3 (Armmoment: M_A), die Summe der Trägheitsmomente der Basis 4 (Basismoment: M_B) und das Verhältnis des Basismomentes zu dem Armmoment (Momentverhältnis: M_B/M_A), wenn die Breite der Basis 4 (Basisbreite W_B), an der die Kupferzusatzmasseeinheit 5 angebracht ist, innerhalb des Bereiches zwischen 2,45 und 5,45 mm in Schritten von 0,30 mm verändert wird, unter den Bedingungen, daß die Größen der Arme 2, 3 (Armlänge L_A = 8,00 mm, Armbreite W_A = 1,00 mm, Armdicke T_A = 1,00 mm, Armzwischenabstand D = 0,45 mm) und die Größe des Hauptkörpers der Basis 4 (Basislänge L_B = 4,00 mm und Basisbreite W_B = 2,45 mm) feststehend sind. In TABELLE 3 gibt die Basisbreite W_B = 2,45 mm die Eigenschaft in dem Fall an, wenn die Zusatzmasseeinheit 5 nicht ange bracht ist und die Breite der Kupferzusatzmasseeinheit 5, die anzubringen ist, jeweils um 0,30 mm vergrößert wird. Die Beziehung zwischen der Basisbreite W_B und dem Momentverhält nis M_B/M_A, die in TABELLE 3 gezeigt ist, ist in der grafi schen Darstellung von Fig. 12 dargestellt, wobei die Ab szisse und die Ordinate die erstere bzw. das letztere ange ben.

TABELLE 3

(Längeneinheit: mm)

Die Haftschicht 6, die verwendet wird, um die oben er wähnte Zusatzmasseeinheit 5 an der Basis 4 anzubringen, muß derselben Anforderung wie die Zusatzmasseeinheit 5 entspre chen und hat eine Härte von 50 kg/cm² oder mehr innerhalb des Nutzungstemperaturbereiches des Schwingelementes 1 des Stimmgabeltyps. Die Beziehung zwischen der Härte der Haft schicht 6 und dem Q-Wert der Torsionsschwingung ist in der grafischen Darstellung von Fig. 13 gezeigt, wobei die Ab szisse und die Ordinate die erstere bzw. den letzteren angeben. Bei der Eigenschaft, die in Fig. 13 gezeigt ist, ist das Trägheitsmoment der Basis 4 feststehend. Es versteht sich, daß sich der Q-Wert gemäß der Härte der Haftschicht 6 ändert.

Bei dem oben erwähnten Beispiel ist die Zusatzmasseein heit 5 aus Kupfer vorgesehen, außerdem kann sie jedoch aus Eisen, Aluminiumoxid, Lot oder anderen Metallen sein.

Bei dem oben erwähnten Beispiel ist die Zusatzmasseein heit 5 auf beiden Seiten der Basis 4 vorgesehen; es ist jedoch möglich, die Zusatzmasseeinheit 5 am unteren Ende der Basis 4 vorzusehen. Fig. 14 bis 17 zeigen solche Fälle. Fig. 14 zeigt ein Beispiel, bei dem die Zusatzmasseeinheit 5, die eine rechteckige Parallelepipedform hat und sich längs der Breitenrichtung der Basis 4 erstreckt, am unteren Ende der Basis 4 vorgesehen ist, um die Trägheit der Basis zu vergrö ßern. Fig. 15 zeigt ein Beispiel, bei dem die Zusatzmasse einheit 5, die eine rechteckige Parallelepipedform hat und sich längs der Dickenrichtung der Basis 4 erstreckt, am unteren Ende der Basis 4 vorgesehen ist. Fig. 16 zeigt ein Beispiel, bei dem die Zusatzmasseeinheit 5, die eine Form hat, die durch Kombinieren der Strukturen von Fig. 14 und 15 gebildet ist, am unteren Ende der Basis 4 vorgesehen ist. Fig. 17 zeigt ein Beispiel, bei dem die Zusatzmasseeinheit 5, die eine Scheibenform hat, am unteren Ende der Basis 4 vorgesehen ist.

Es ist möglich, wie in Fig. 14 gezeigt, eine Zeich nungselektrode 11 auf der Oberfläche der Zusatzmasseeinheit 5 über einem Isolierfilm vorzusehen, um die Treibelektroden und die Detektionselektroden an den Armen 2, 3 mit den Drähten an dem Stützsubstrat (Drucksubstrat) zu verbinden.

AUSFÜHRUNGSFORM 4

Fig. 18A, 18B sind eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht auf die Struktur des Schwingelementes des Stimmgabeltyps 1 der vierten Ausführungsform. Es ist erfor derlich, das Schwingelement des Stimmgabeltyps 1 im Rotati onszentrum zu stützen, um den Q-Wert der Torsionsschwingung zu vergrößern. In der vierten Ausführungsform ist ein Stütz glied 7 zum Stützen des Schwingelementes des Stimmgabeltyps 1 (Basis 4) durch einen Stamm 10 mit Verbindungsstiften 12 auf der unteren Fläche der Basis 4 vorgesehen. Das Stütz glied 7 ist aus einem flexiblen Gummiglied, um die Basis 4 von dem Stamm 10 zu trennen, wodurch der Schwingungsverlust bei dem Stamm 10 verhindert wird. Zeichnungselektroden 13, die mit den Treibelektroden 15 und den Detektionselektroden 16 verbunden sind, die an den Armen 2, 3 gebildet sind, sind auf der Basis 4 vorgesehen, und die Zeichnungselektroden 13 und die Verbindungsstifte 12 des Stamms 10 sind durch Lei tungen 14 verbunden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Q-Wert, wie zuvor beschrieben, unter den Bedingungen erhöht, daß das Verhältnis der Summe der Trägheitsmomente der Basis zu dem Trägheitsmoment der Arme auf einen vorbestimmten Wert (1,0) oder größer gebracht wird, indem entweder die Breite oder die Länge der Basis vergrößert wird oder eine Zusatzmasse einheit an der Basis angebracht wird. Als Resultat ist es möglich, ein Schwingelement des Stimmgabeltyps zu realisie ren, bei dem der Q-Wert erhöht werden kann, ohne die gesamte Länge zu vergrößern. Zusätzlich ist eine schwierige Bearbei tung der Arme unnötig, wodurch eine hohe Produktivität herbeigeführt wird. Da ein Stützglied vorgesehen ist, um die Basis an der zentralen Position der Rotation zu stützen, kann ein Schwingelement des Stimmgabeltyps mit einem höheren Q-Wert realisiert werden. Die Verwendung von solch einem Schwingelement des Stimmgabeltyps macht es möglich, einen kleinen und kurzen Schwingkreisel des Stimmgabeltyps mit hoher Leistung vorzusehen.

Claims

1. Schwingelement des Stimmgabeltyps (1) mit zwei Armen (2, 3), die eine Stimmgabel bilden und torsional schwingen, und einer Basis (4), die die zwei Arme (2, 3) stützt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis einer Summe von Trägheitsmomenten der Basis (4) zu einem Trägheitsmoment der zwei Arme (2, 3) 1,0 oder größer ist, wobei das Trägheitsmoment der zwei Arme (2, 3) erhalten wird, indem das Quadrat eines Abstandes von einer Mittelachse der Torsionsschwingung der zwei Arme (2, 3) zu einem Schwerezentrum der zwei Arme (2, 3) mit einer Masse der zwei Arme (2, 3) multipliziert wird, und das Trägheitsmoment der Basis (4) erhalten wird, indem das Quadrat des Rotationsradius von der Mittelachse der Tor sionsschwingung mit einer Teilmasse der Basis (4) multipli ziert wird.

2. Schwingelement des Stimmgabeltyps (1) nach Anspruch 1, bei dem ein Verhältnis einer Breite (W_B) der Basis (4) zu einer Breite (W_A) der zwei Arme (2, 3) 1,0 oder größer ist.

3. Schwingelement des Stimmgabeltyps (1) nach Anspruch 1, bei dem eine Länge (L_B) der Basis (4) länger als eine Länge (L_A) der zwei Arme (2, 3) ist.

4. Schwingelement des Stimmgabeltyps (1) nach Anspruch 1, bei dem die Basis (4) einen Basishauptkörper (4) und eine oder mehrere Zusatzmasseeinheiten (5) enthält und der Basishaupt körper (4) und die eine oder die mehreren Zusatzmasseeinhei ten (5) das Trägheitsmoment der Basis (4) bilden.

5. Schwingelement des Stimmgabeltyps (1) nach Anspruch 4, bei dem die eine oder die mehreren Zusatzmasseeinheiten (5) eine Härte von 50 kg/cm² oder mehr haben.

6. Schwingelement des Stimmgabeltyps (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Basis (4) ferner eine Hafteinheit (6) zum Bekleben des Basishauptkörpers (4) mit der einen oder den mehreren Zusatzmasseeinheiten (5) enthält, welche Hafteinheit (6) eine Härte von 50 kg/cm² oder mehr innerhalb eines Nutzungstemperaturbereiches hat.

7. Schwingelement des Stimmgabeltyps (1) nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Stützglied (7) im wesentlichen in der Mitte einer Rotationsbewegung der Basis (4) vorgesehen ist, um die Basis (4) zu stützen.

8. Schwingkreisel des Stimmgabeltyps zum Detektieren der Drehwinkelgeschwindigkeit eines Objektes, dadurch gekennzeichnet, daß er das Schwingelement des Stimmgabeltyps (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt.