Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingkreisel, insbesondere betrifft
sie einen Schwingkreisel, der beispielsweise in einem Navigationssystem eines
Kraftfahrzeuges installiert ist.
Fig. 50 ist eine Darstellung eines Beispieles für einen herkömmlichen
Schwingkreisel. Fig. 51 eine perspektivische Darstellung eines Schwingungs
erregers des Schwingkreisels und Fig. 52 eine Schnittdarstellung entlang der
Linie LII-LII, gemäß Fig. 51. Der Schwingungserreger 2 des Schwingkreisels 1
umfaßt einen vierseitigen prismaförmigen Schwingkörper 3 aus einem Metall
konstanter Elastizität oder dergleichen.
Auf einem Paar gegenüberliegender Seitenflächen des Schwing
körpers 3 sind piezoelektrische Detektorelemente 4, 4 gebil
det. Wie in Fig. 52 zu sehen, weist das piezoelektrische De
tektorelement 4 Elektroden 4b auf, welcher an beiden Ober
flächen eines piezoelektrischen keramischen Elementes 4a ge
bildet sind.
Entsprechend sind auf einem Paar von Seitenflächen des
Schwingkörpers 3, auf welchem kein piezoelektrisches Detek
torelment gebildet ist, piezoelektrische Treiberelemente 5, 5
gebildet. Die piezoelektrischen Treiberelemente 5 umfassen
ebenfalls wie die piezoelektrischen Detektorelemente 4 auf
beiden Oberflächen eines piezoelektrischen keramischen Ele
mentes 5a Elektroden 5b. Der Schwingkreisel 1 ist mittels La
gerelementen 6, 6, die sich durch Knotenpunkte des Schwing
körpers 3 erstrecken, gelagert.
Ein Differentialverstärker 7 ist mit den piezoelektrischen
Detektorelementen 4 des Schwingungserregers 2 verbunden, und
ein Oszilator 8 ist mit den piezoelektrischen Treiberelemen
ten 5 verbunden. Somit führt der Schwingkörper 3, wenn ein
Treibersignal an die piezoelektrischen Treiberelemente 5 an
gelegt wird, diese Schwingungen in der Richtung senkrecht zu
den Hauptoberflächen der piezoelektrischen Treiberelemente 5
durch, wie übertrieben in Fig. 52 gezeigt.
In diesem Stadium wird, wenn der Schwingkreisel 1 beispiels
weise um seine Achse rotiert wird, eine senkrecht zur Schwin
gungsrichtung liegende Korioliskraft ausgeübt. Damit wird die
Schwingungsrichtung des Schwingkörpers 3, wie übertrieben in
Fig. 54 gezeigt durch die Korioliskraft geändert, und in
den piezoelektrischen Detektorelementen 4 eine Ausgangsspan
nung erzeugt. Da diese Ausgangsspannung proportional zu einer
Schwingungsquantität in senkrecht zu der Hauptoberfläche des
piezoelektrischen Detektorelements 4 liegender Richtung ist,
kann durch Messen dieser Ausgangsspannung die Drehwinkelge
schwindigkeit des Schwingkreisels 1 ermittelt werden. Genauso
verhält es sich auch, wenn der Schwingkreisel um jede beliebige Achse entlang
seiner Achse rotiert wird.
Wird ein derartiger herkömmlicher Schwingkreisel rotiert, weicht die Biegerich
tung des Schwingkörpers beziehungsweise des piezoelektrischen Detektorele
mentes in dieser Richtung von der senkrecht zur Hauptoberfläche liegenden
Richtung ab (eine Richtung eines resultierenden Vektors aus einem Vektor, der
Biegeschwingungsrichtung ohne Rotation und einem durch die Korioliskraft
erzeugten Abweichungsvektor), so daß die in dem piezoelektrischen Detektore
lement 4 erzeugte Ausgangsspannung klein ist. Es ist deshalb schwer, die auf
den Schwingkreisel angelegte Drehwinkelgeschwindigkeit aus der Ausgangs
spannung zu messen. Entsprechend ist es schwer, die Ausgangsspannung zu
Null zu regeln, obwohl dies erforderlich ist, um das S/N-Verhältnis zu erhalten.
US-PS 35 20 195 offenbart einen Schwingkreisel mit den Merkmalen des Ober
begriffs von Patentanspruch 1. Der bekannte Schwingkreisel umfaßt einen vier
eckigen Schwingkörper, wobei an einer Seitenfläche ein piezoelektrisches Trei
berelement vorgesehen ist und senkrecht dazu ein piezoelektrisches Detektor
element angeordnet ist. Das piezoelektrische Treiberelement veranlaßt den
Schwingkörper zu einer Biegeschwingung in X-Richtung. Wenn der Schwing
körper um seine Längsachse gedreht wird, entwickelt sich eine Corioliskraft in
Y-Richtung senkrecht zur Biegeschwingung. Die Corioliskraft ist proportional
zur Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung. Im Idealfall kann die gesamte
Schwingung des Schwingkörpers vektoriell zerlegt werden in X-Komponente,
die sich rein aus der erzwungenen Schwingung ergibt und eine Y-Komponente,
die genau der Corioliskraft entspricht. Folglich wäre in diesem Idealfall die Y-
Komponente streng proportional der interessierenden Meßgröße, nämlich der
Winkelgeschwindigkeit. Das Problem jedoch ist, daß in der Praxis auch ohne
Drehung des Schwingkreisels eine Y-Komponente ungleich Null vorhanden ist,
weil ein Schwingkörper niemals ganz ideal gelagert werden kann. Das bedeutet,
daß ein gewisser Anteil der Y-Komponente auch auf die erzwungenen Schwin
gungen zurückzuführen ist. Weiterhin ist bei den geringen Winkelgeschwindig
keiten
die Coreoliskomponente im Vergleich zur Erregerschwingkomponente sehr
klein und kann leicht von der anderen Schwingkomponente überlagert werden.
Dieses Problem wird durch eine subtile Änderung der Richtung der angetriebe
nen Vibration bzw. einer subtilen Asymmetrie des Schwingkörpes begegnet.
Beide Maßnahmen sind jedoch nur mit einem hohen Aufwand an Genauigkeit
und einem komplizierten Antrieb möglich.
US-PS 24 39 499 offenbart einen piezoelektrischen Motor, bestehend aus einem
zusammengesetzten länglichen Schwingkörper, dessen Seitenflächen mit piezo
elektrischen Elementen bzw. Treiberelektroden versehen sind und der an einem
Ende in einen Block eingespannt ist, so daß das andere Ende frei beweglich ist.
An dem freibeweglichen Ende ist ein Antriebsrad befestigt. Durch Betreiben der
Elektroden bzw. der piezoelektrischen Elementen an den Seitenflächen des
länglichen Schwingkörpers wird eine Vibration erzeugt, die das freie Ende des
Schwingungskörpers in eine kreisende Bewegung versetzt. Das bedeutet, daß
die Schwingungsrichtung der Vibration tangential zu den Seitenflächen in einer
Ebene senkrecht zur Längsachse des Schwingungskörpers liegt. Eine solche An
ordnung ist ungeeignet zur Verwendung in einen Schwingkreisel.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schwingkreisel, in wel
chem die Ausgangsspannung bei Rotation erhöht werden kann, wobei die Aus
gangsspannung bei Nichtrotation nicht notwendigerweise Null sein muß.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen Schwingkreisel mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 bereit.
Der erfindungsgemäße Schwingkreisel umfaßt einen Schwingkörper mit einem
vieleckigen Bereich und piezoelektrische Elemente, die mindestens an zwei Sei
tenflächen des Schwingkörpers gebildet sind.
Wenn ein Treibersignal an das piezoelektrische Element angelegt wird, führt
der Schwingkörper Biegeschwingungen in Richtung senkrecht zu der Haupto
berfläche des piezoelektrischen Elementes durch.
Wenn der Schwingkreisel um seine Achse rotiert wird, wird die Schwingrich
tung durch eine Korioliskraft geändert, und es
gibt Seitenflächen des Schwingkörpers, deren Hauptober
flächen in im wesentlichen senkrecht zur Schwingrichtung
liegender Richtung liegen. Somit kann, wenn das piezoelektri
sche Element auf diesen Oberflächen zur Erkennung verwendet
wird, eine große Ausgangsspannung in diesem erzeugt werden.
Weiterhin sind die in den piezoelektrischen Detektorelementen
erzeugten Ausgangsspannungen im Vergleich mit den Schwing
kreiseln des Standes der Technik größer, da die Biegerichtung
des Schwingkörpers und die Hauptoberflächen der piezoelektri
schen Detektorelemente im wesentlichen im rechten Winkel re
lativ zueinander bei Rotation des Schwingkreisels liegen. So
mit ist es bei diesem Schwingkreisel einfach, die Drehwinkel
geschwindigkeit zu erfassen. Damit ist ein besonderes Verfah
ren zum Erhalt des S/N-Verhältnisses nicht notwendig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beilie
genden Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungs
beispiels der Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II/II gemäß
Fig. 1,
Fig. 3 ein Blockdiagramm für eine Schaltung zur Verwen
dung des in Fig. 1 und 2 gezeigten Schwingkrei
sels,
Fig. 4 eine Darstellung der Schwingungen, wobei der in
Fig. 1 und 2 gezeigte Schwingkreisel nicht ro
tiert,
Fig. 5 eine Darstellung der Schwingungen, wenn der in
Fig. 1 und 2 gezeigte Schwingkreisel rotiert,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer Modifika
tion des in Fig. 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispieles,
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer weiteren
Modifikation des in Fig. 1 und 2 gezeigten Aus
führungsbeispieles,
Fig. 8 einen Schaltkreis eines Differentialverstärkers,
der in einem erfindungsgemäßen Schwingkreisel
verwendet wird,
Fig. 9 einen Schaltkreis eines Beispieles, in welchem
die Gainkontrolle in dem in Fig. 8 gezeigten Dif
ferentialverstärker möglich ist,
Fig. 10 einen Schaltkreis einer Modifikation des in Fig.
9 gezeigten Differentialverstärkers,
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Aus
führungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12 eine Schnittansicht entlang der Linie XXII/XXII
gemäß Fig. 11,
Fig. 13 einen Schaltkreis für ein Beispiel einer Kreisel
anlage, die dem in den Fig. 11 und 12 gezeigten
Schwingkreisel verwendet,
Fig. 14 grafische Darstellungen der Ausgänge des in Fig.
13 gezeigten Schaltkreises bei Nichtrotation des
Schwingkreisels,
Fig. 15 grafische Darstellungen der Ausgänge des in Fig.
13 gezeigten Schaltkreises bei Rotation des
Schwingkreisels,
Fig. 16 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen
der Drehwinkelgeschwindigkeit des Schwingkreisels
und der Ausgangsspannung eines Differenzialver
stärkers in einem Schaltkreis gemäß Fig. 13,
Fig. 17 eine Schnittansicht einer Modifikation des in
Fig. 11 und 12 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 18 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels für
eine Lagerstruktur eines erfindungsgemäßen
Schwingungserregers,
Fig. 19 eine Frontansicht des in Fig. 18 gezeigten Aus
führungsbeispieles,
Fig. 20 eine perspektivische Ansicht einer Modifikation
des in Fig. 18 und 19 gezeigten Ausführungsbei
spieles,
Fig. 21 eine Frontansicht des in Fig. 20 gezeigten Aus
führungsbeispieles,
Fig. 22 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modi
fikation des in Fig. 18 und 19 gezeigten Aus
führungsbeispieles,
Fig. 23 eine Frontansicht des in Fig. 22 gezeigten Aus
führungsbeispieles,
Fig. 24 eine perspektivische Ansicht einer weiteren La
gerstruktur eines erfindungsgemäßen Schwingungs
erregers,
Fig. 25 eine Frontansicht des in Fig. 24 gezeigten Aus
führungsbeispiels,
Fig. 26 eine Seitenansicht einer Modifikation des in Fig.
24 und 25 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 27 eine Frontansicht gemäß Fig. 26,
Fig. 28 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Aus
führungsbeispieles der vorliegenden Erfindung,
Fig. 29 eine Schnittansicht entlang der Linie XXIX/XXIX
gemäß Fig. 28,
Fig. 30 ein Blockdiagramm eines Beispiels für eine
Schwingkreiselvorrichtung, die den in Fig. 28 und
29 gezeigten Schwingkreisel verwendet,
Fig. 31 eine Darstellung bei Nichtrotation des in Fig. 28
und 29 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 32 eine Darstellung bei Rotation des in Fig. 28 und
29 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 33 eine grafische Darstellung der Frequenzcharakte
ristika, bevor die Resonanzfrequenz der Treiber
seite mit der der Detektorseite in dem in Fig. 28
und 29 gezeigten Schwingkreisel zusammenfällt,
Fig. 34 eine grafische Darstellung der Frequenzcharakte
ristika, wenn die Resonanzfrequenz der Treiber
seite mit der der Detektorseite in dem in Fig. 28
und 29 gezeigten Schwingkreisel zusammenfällt,
Fig. 35 eine grafische Darstellung der Ausgangsspan
nungscharakteristika, die die Beziehung zwischen
der Drehwinkelgeschwindigkeit und der Ausgangs
spannung zeigt, wenn ein Schwingkreisel in der in
Fig. 30 gezeigten Schwingkreiselvorrichtung er
regt wird,
Fig. 36 eine grafische Darstellung der Ausgangsspan
nungscharakteristika, die die Beziehung zwischen
dem Kippwinkel des Schwingkreisels und der Aus
gangsspannung der Schwingkreiselvorrichtung gemäß
Fig. 30 zeigt,
Fig. 37 eine grafische Darstellung der Frequenz-
/Temperaturcharakteristika, wenn ein aus einem
ausgeglühten Material gebildeter Schwingkörper in
dem in Fig. 28 und 29 gezeigten Schwingkreisel
verwendet wird,
Fig. 38 eine Schnittansicht einer Modifikation des in
Fig. 28 und 29 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 39 eine Darstellung einer weiteren Modifikation des
in Fig. 28 und 29 gezeigten Ausführungsbeispie
les,
Fig. 40 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbei
spieles der vorliegenden Erfindung,
Fig. 41 eine Darstellung einer Modifikation des in Fig.
40 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 42 eine Darstellung einer weiteren Modifikation des
in Fig. 40 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 43 eine Darstellung einer Modifikation des in Fig.
42 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 44 eine Darstellung einer weiteren Modifikation des
in Fig. 40 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 45 eine Darstellung einer Modifikation des in Fig.
44 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 46 eine Darstellung einer weiteren Modifikation des
in Fig. 44 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 47 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Schwin
gungserregers,
Fig. 48 eine Darstellung einer Modifikation des in Fig.
47 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 49 eine Darstellung einer weiteren Modifikation des
in Fig. 47 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Fig. 50 eine Darstellung eines Beispiels für einen her
kömmlichen Schwingkreisel gemäß Stand der Tech
nik,
Fig. 51 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 50
gezeigten Schwingkreisels,
Fig. 52 eine Schnittansicht entlang der Linie LII/LII ge
mäß Fig. 51,
Fig. 53 eine Darstellung der Schwingungen des in Fig. 50
gezeigten Schwingkreisels bei Nichtrotation, und
Fig. 54 eine Darstellung der Schwingungen des in Fig. 50
gezeigten Schwingkreisels bei Rotation.
Gemäß Fig. 1 und 2 umfaßt ein Schwingkreisel 10 einen
Schwingungsanzeiger 12, der einen beispielsweise gleichseiti
gen dreiflächigen prismaförmigen Schwingkörper 14 umfaßt. Der
Schwingkörper 14 ist aus einem konstant elastischen Metall
wie NI-, FE-, CR- oder TI-Legierungen hergestellt.
In dem Ausführungsbeispiel sind auf einer Seitenfläche des
Schwingkörpers 14 zwei piezoelektrische Treiberelemente 16a1
und 16a2 an der Längssymetrieachse gebildet. Die piezoelek
trischen Elemente 16a1 und 16a2 sind parallel seitlich zur
Seitenfläche des Schwingkörpers 14 angeordnet.
Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt ein piezoelektrisches Element
16a1 eine piezoelektrische Lage 18a1, die beispielsweise aus
Keramik besteht. An beiden Oberflächen der piezoelektrischen
Lage 18a1 sind Elektroden 20a1 bzw. 22a1 ausgebildet. Eine
Elektrode 20a1 ist an den Schwingkörper 14 angeklebt.
Entsprechend umfaßt das andere piezoelektrische Element 16a2
ebenfalls eine piezoelektrische Lage 18a2, an deren beiden
Oberflächen Elektroden 20a2, 22a2 ausgebildet sind. Eine
Elektrode 20a2 ist an dem Schwingkörper 14 angeklebt. In dem
Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrischen Lagen 18a1 und
18a2 einstöckig ausgebildet, und die Elektroden 20a1 und 20a2
an den Schwingkörper 14 angeklebt und ebenso einstöckig aus
gebildet. Entsprechend sind aus praktischen Gründen in der
Mitte der verbleibenden zwei Seitenflächen des Schwingkörpers
14 piezoelektrische Detektorelemente 16b und 16c gebildet.
Ein piezoelektrisches Detektorelement 16b umfaßt, wie in
Fig. 2 gezeigt, eine piezoelektrische Lage 18b, an deren bei
den Oberflächen Elektroden 20b und 22b angeordnet sind. Eine
Elektrode 20b ist auf die Seitenfläche des Schwingkörpers 14
aufgeklebt. Entsprechend umfaßt das andere piezoelektrische
Detektorelement 16c ebenfalls eine piezoelektrische Lage 18c,
an deren beiden Oberflächen Elektroden 20c und 22c angeordnet
sind. Eine Elektrode 20c ist auf den Schwingkörper 14 aufge
klebt. Entsprechend sind in dem beschriebenen Ausführungsbei
spiel die piezoelektrischen Treiberelemente 16a1 und 16a2 auf
den Seitenflächen des Schwingkörpers 14 gebildet, auf denen
nicht die piezoelektrischen Detektorelemente 16b und 16c ge
bildet sind.
Somit führt der Schwingkörper 14 Biegeschwingungen aus, in
dem ein Treibersignal zwischen den piezoelektrischen Treiber
elementen 16a1 und 16a2 angelegt wird, und Lagerelemente 24a
und 24b an dessen Knotenpunkten gesichert sind. Die Lager
elemente 24a und 24b sind durch Schweißen, beispielsweise
eines Metalldrahtes oder dergleichen, an dem Schwingkörper 14
befestigt. Der Schwingkreisel 10 wird in einem Schaltkreis
verwendet, wie er in Fig. 3 gezeigt ist. Demgemäß ist die
Eingangsseite eines Oszillators 50 mit einem piezoelektri
schen Treiberelement 16a1 des Schwingkreisels 10 verbunden,
und dessen Ausgangsseite ist mit dem anderen piezoelektri
schen Treiberelement 16a2 über einen Phasenschaltkreis 52 und
einen AGC-Schaltkreis 54 verbunden. Somit wird das in dem
Oszillator 50 verstärkte Signal in dem Phasenschaltkreis 52
phasengesteuert und nach der Gainsteuerung in dem AGC-Schalt
kreis 54 an das piezoelektrische Treiberelement 16a2 ange
legt. Dann wird das stabile Treibersignal, das bei Resonanz
frequenzen des Schwingungserregers 14 gegeben ist, an den
Schwingkreisel 10 über den Oszillator 50, den Phasenschalt
kreis 52 und den AGC-Schaltkreis 54 angelegt.
Währenddessen sind die piezoelektrischen Detektorelemente 16b
und 16c mit der Eingangsseite eines Differentialverstärkers
60 verbunden, durch welchen die Ausgangsspannungsdifferenz
zwischen den piezoelektrischen Detektorelementen 16b und 16c
gemessen wird. Der Differentialverstärker 60 ist mit einem
synchronisierenden Detektorschaltkreis 90 verbunden, welcher
mit dem Oszillator 50 verbunden ist, um den Ausgang des Dif
ferentialverstärkers 60 in Synchronisation mit den Schwin
gungsfrequenzen des Oszillators 50 zu erfassen. Das von dem
synchronisierenden Detektorschaltkreis 90 erfaßte Signal wird
durch den Glättungsschaltkreis 92 geglättet und weiterhin
durch einen DC-Verstärker 94 verstärkt.
Wird der Schwingkreisel 10 nicht rotiert, führt er, wie über
trieben in Fig. 4 dargestellt, Biegeschwingungen in senk
recht zu den Hauptoberflächen der piezoelektrischen Trei
berelemente 16a1 und 16a2 liegender Richtung durch. In diesem
Fall sind, da die Biegegrößen der Oberflächen des Schwingkör
pers 14, die mit den piezoelektrischen Detektorelementen 16b
und 16c versehen sind, gleich sind, die Ausgangsspannungen,
die in den piezoelektrischen Detektorelementen 16b und 16c
erzeugt werden, gleich. Somit werden die Ausgangsspannungen
der piezoelektrischen Detektorelemente 16b und 16c in dem
Differentialverstärker 60 gegeneinander aufgehoben und der
Ausgang wird somit Null. Das heißt, der Ausgang bei
Nichtrotation kann in dem Schwingkreisel 10 leicht zu Null
gemacht werden.
Weiterhin wird, wenn der Schwingkreisel 10 um seine Achse ro
tiert wird, eine Korioliskraft in senkrecht zu der
Schwingrichtung des Schwingkörpers 14 liegender Richtung aus
geübt. In diesem Fall weicht die Schwingrichtung des Schwing
körpers 14, wie übertrieben in Fig. 5 dargestellt, von der
Schwingrichtung bei Nichtrotation ab. Damit führt beispiels
weise das piezoelektrische Detektorelement 16c Biegebewegun
gen in einer nahezu senkrecht zu seiner Hauptoberfläche lie
gender Richtung durch, und das piezoelektrische Detektorele
ment 16b führt Biegebewegungen in einer nahezu parallel zu
seiner Hauptoberfläche liegenden Richtung durch. Somit steigt
die in dem piezoelektrischen Detektorelement 16c erzeugte
Ausgangsspannung, und die in dem piezoelektrischen Detektor
element 16b erzeugte Ausgangsspannung sinkt. Entsprechend
kann ein größerer Ausgang von dem Differentialverstärker 60
im Vergleich mit herkömmlichen Schwingkreiseln erhalten wer
den. Somit kann bei dem Schwingkreisel 10 die
Drehwinkelgeschwindigkeit leichter ermittelt werden als bei
herkömmlichen Schwingkreiseln.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die
Ausgangsspannungsdifferenz zwischen den zwei piezoelektri
schen Detektorelementen 16b und 16c gemessen, es kann jedoch
jede der beiden Ausgangsspannungen gemessen werden, um die
Drehwinkelgeschwindigkeit zu ermitteln.
Weiterhin kann, obwohl in dem oben beschriebenen
Ausführungsbeispiel der Schwingkörper 14 als gleichseitiges
dreiflächiges Prisma gebildet ist, dieser auch als gleich
schenkliges dreiseitiges Prisma gebildet werden. In diesem
Fall sollten die piezoelektrischen Detektorelemente 16b und
16c auf den jeweils gleichflächigen Seitenflächen des
Schwingkörpers 14 gebildet werden. Weiterhin kann der
Schwingkörper 14 auch in eine allgemeine dreiflächige Form,
oder in eine mehrflächige Prismaform wie einem fünfflächigen
oder achtflächigen Prisma gebildet werden. In diesem Fall
sollten die piezoelektrischen Detektorelemente wenigstens auf
einer Seitenfläche des Schwingkörpers gebildet werden, auf
der keine piezoelektrischen Treiberelemente gebildet sind.
Obwohl in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die
Lagerelemente 24a und 24b jeweils in einem Punkt an dem
Schwingkörper 14 befestigt sind, wie in Fig. 6 gezeigt, kön
nen diese auch jeweils an zwei Punkten befestigt sein. Das
heißt, die Lagerelemente 24a und 24b sollten in jedem Fall an
den Knotenpunkten des Schwingkörpers 14 befestigt sein.
Weiterhin, wie in Fig. 7 gezeigt, können die piezoelektri
schen Treiberelemente 16a1 und 16a2 in länglichem Abstand an
dem Schwingkörper 14 befestigt sein.
Gemäß Fig. 8 umfaßt der Differentialverstärker 60 zwei Ein
gangsseiten 62, 64 und eine Ausgangsseite 66. Der
Differentialverstärker 60 umfaßt weiterhin einen Operations
verstärker 68. Eine Eingangsseite 62 ist mit einem Umkehrein
gangsanschluß des Operationsverstärkers 68 über einen Wider
stand 70 verbunden. Der Umkehreingangsanschluß des
Operationsverstärkers 68 ist über einen Widerstand 72 geer
det.
Die andere Eingangsseite 64 des Differentialverstärkers 60
ist über einen nicht umkehrenden Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers 68 über einen Widerstand 74 verbunden.
Der nicht umkehrende Eingangsanschluß des Operationsverstär
kers 68 ist über einen Widerstand 76 geerdet. Das Verhältnis
R2/R1 der Widerstandsbeiwerte R1 und R2 der beiden Wider
stände 74 und 76, die mit den nicht umkehrenden Eingangsan
schlüssen des Operationsverstärkers 68 verbunden sind, ist so
gewählt, daß es gleich dem Verhältnis R4/R3 der Widerstands
beiwerte R3 und R4 der beiden Widerstände 70 und 72 ist, die
mit den Umkehreingangsanschlüssen des Operationsverstärkers
68 verbunden sind.
Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 68 ist mit dem
Ausgang 66 des Differentialverstärkers 60 verbunden, der
Ausgangsanschluß und der Umkehreingangsanschluß des
Operationsverstärkers 68 sind über einen Widerstand 78 mit
einander verbunden. Bei einem derartigen Differenzialverstär
ker 60 wird dessen Verstärkung durch das Verhältnis R5/R3 der
Widerstandsbeiwerte R3 und R5, zum einen des Widerstands 70
zwischen der Eingangsseite 62 und dem Umkehreingangsanschluß
des Operationsverstärkers 68, und andererseits des Widerstan
des 78 zwischen dem Umkehreingangsanschluß und dem Ausgangs
anschluß des Operationsverstärkers 68, bestimmt. Somit wird,
wenn die Eingangsspannung V1 an der Eingangsseite 62 und die
Eingangsspannung V2 an der Eingangsseite 64 angelegt werden,
die Ausgangsspannung V, die an dem Ausgangsende 66 erzeugt
wird, wie folgt berechnet: V = (V1 - V2) R5/R3.
Bei einem derartigen Differentialverstärker 60 ist, um die
Zunahme an der nicht umkehrenden Eingangsseite zu steuern,
wie beispielsweise in Fig. 9 gezeigt, ein variabler Wider
stand 80 mit dem nicht umkehrenden Eingangsanschluß des Ope
rationsverstärkers 68 verbunden. In diesem Fall ist ein fe
ster Anschluß des Stellwiderstandes 80 mit der Eingangsseite
64 verbunden und der andere feste Anschluß geerdet. Der
Stellanschluß des Stellwiderstandes Null ist dann mit dem
nicht umkehrenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers
68 verbunden. Um beispielsweise eine zehnfache Verstärkung
durch einen derartigen Differentialverstärker 60 zu erzielen,
werden beispielsweise die Widerstandsbeiwerte R3 und R4 der
Widerstände 70 und 72, die mit den Umkehreingangsanschlüssen
des Operationsverstärkers 68 verbunden sind, jeweils mit 1 kΩ
gewählt, während der Widerstandsbeiwert R5 des Widerstandes
78 mit 10 kΩ gewählt wird. Der Widerstandsbeiwert zwischen
den zwei festen Anschlüssen des Stellwiderstandes 80 ist bei
spielsweise mit 2 kΩ gewählt. In diesem Fall wird, da die Wi
derstandsbeiwerte R3 und R4 der Widerstände 70 und 72, die
mit den Umkehreingangsanschlüssen des Operationsverstärkers
68 verbunden sind, jeweils mit 1 kΩ gewählt wurden, der
Stellanschluß des Stellwiderstandes 80 im wesentlichen unge
fähr in der Mitte zwischen den beiden festen Anschlüssen ge
steuert. Das heißt, der Stellanschluß des Stellwiderstandes
80 wird annähernd auf 1 kΩ zwischen den zwei festen An
schlüssen gesteuert.
Bei einem herkömmlichen Differentialverstärker und den Wider
stand 72 mußte der Stellwiderstand 80 in der Nähe eines Endes
zur Verstärkungskontrolle geregelt werden, während in dem
Differentialverstärker 60 gemäß Fig. 9 die Verstärkungs
steuerung sehr einfach ist, da es im wesentlichen nahe der
Mitte des Stellwiderstandes 80 bewirkt wird.
Um in einem Differentialverstärker des Standes der Technik
eine Verstärkungssteuerung nahe der Mitte des Stellwiderstan
des zu ermöglichen, wurde ein Festwiderstand in Reihe zu dem
Stellwiderstand geschaltet. In diesem Fall wird, da die
Widerstandstemperaturkoeffizienten des variablen und des fe
sten Widerstandes ungleich sind, eine durch die atmosphä
rische Temperatur bewirkte Verschiebung stattfinden. Im Ge
gensatz dazu muß der Festwiderstand bei dem Differentialver
stärker 60 gemäß Fig. 9 nicht mit dem Stellwiderstand 80
verbunden sein, so daß eine Verschiebung durch atmosphärische
Temperatur kaum erzeugt werden kann.
Bei diesem Differentialverstärker ist der Umkehreingangsan
schluß des Operationsverstärkers über einen Widerstand geer
det. Deshalb sind das Verhältnis des Widerstandes zwischen
der Eingangsseite des Differentialverstärkers und dem Um
kehreingangsanschluß des Operatiosverstärkers, der Widerstand
zwischen dem Umkehreingangsanschluß des Operationsverstärkers
und der Erde, das Verhältnis des Widerstandes zwischen der
Eingangsseite und dem nicht umkehrenden Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers, und der Widerstand zwischen dem nicht
umkehrenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers und
der Erde im wesentlichen gleich.
Entsprechend kann, bei geeigneter Wahl des Verhältnisses des
Widerstandes zwischen der Eingangsseite des Differentialver
stärkers und dem Umkehreingangsanschluß des Operationsver
stärkers, sowie dem Widerstand zwischen dem Eingangsanschluß
des Operationsverstärkers und der Erde, das Verhältnis des
Widerstandes zwischen der Eingangsseite des nicht umkehrenden
Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers, sowie der Wi
derstand zwischen dem nicht umkehrenden Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers und der Erde wahlweise geändert werden.
Damit kann, wenn ein Stellwiderstand an dem Eingangsanschluß
des Operationsverstärkers zur Verstärkungskontrolle an der
nicht umkehrenden Eingangsseite des Differentialverstärkers
angeschlossen ist, die Steuerung nahe der Mitte des Stellwi
derstandes durchgeführt werden, ein Festwiderstand muß nicht
notwendigerweise mit dem Stellwiderstand verbunden sein. So
mit kann die Verstärkungskontrolle an der nicht umkehrenden
Eingangsseite des Differentialverstärkers einfach duchgeführt
werden und eine Verschiebung in Folge atmosphärischer Tempe
ratur kaum stattfinden.
Bei dem oben beschriebenen Differentialverstärker 60 kann,
obwohl der Stellwiderstand der Widerstände 70 und 72 zur
Steuerung nahe der Mitte des Stellwiderstandes 80 gleich ge
wählt ist, wenn das Widerstandsbeiwertverhältnis der Wider
stände 70 und 72 1 : 2 gewählt wird, der bewegliche Anschluß
des Stellwiderstandes 80 ebenfalls in der im Verhältnis 1 : 2
zwischen den beiden festen Anschlüssen liegenden Position ge
steuert werden. Somit kann durch geeignete Wahl der Wider
standsbeiwerte der mit dem Operationsverstärker 68 verbun
denen Widerstände die Verstärkungssteuerung in jeder Position
des Stellwiderstandes 80 bewirkt werden. Bei dem
Differentialverstärker 60 können der Widerstandsbeiwert R3
des Widerstandes 70, der mit dem Umkehreingangsanschluß des
Operationsverstärkers 68 verbunden ist und die Widerstands
beiwerte R1 und R2 der Widerstände 74 und 76, die mit den
nicht umkehrenden Eingangsanschlüssen verbunden sind, frei
gesetztwerden, auch wenn die beiden Eingangsanschlußwider
stände auf die gleichen Werte gesetzt werden sollen, kann
dies einfach durchgeführt werden.
Bei dem beschriebenen Differentialverstärker 60 kann, obwohl
der Stellwiderstand 80 mit dem nicht umkehrenden Eingangsan
schluß des Operationsverstärkers 68 verbunden wurde, wie in
Fig. 10 gezeigt, der Stellwiderstand 82 mit dem Umkehrein
gangsanschluß des Operationsverstärkers 68 zur Verstärkungs
steuerung verbunden werden. Insbesondere ist es möglich, die
Verstärkung zu steuern, in dem der Stellwiderstand mit beiden
der Umkehreingangsanschlüsse und nicht umkehrenden Eingangs
anschlüsse des Operationsverstärkers 68 verbunden wird.
Gemäß Fig. 11 und 12 umfaßt ein Schwingungserreger 12
eines Schwingkreisels einen Schwingkörper 14, der beispiels
weise eine gleichseitige dreiflächige Prismaform hat. Der
Schwingkörper 14 wird aus einem Material gebildet, welches im
allgemeinen mechanische Schwingungen erzeugt, wie Elinvar,
Eisen-/Nickel-Legierungen, Quarz, Glas, Kristall, Keramik und
dergleichen.
Auf dem Schwingkörper 14 sind in der Mitte seiner drei Flä
chen piezoelektrische Elemente 16a, 16b und 16c gebildet. Das
piezoelektrische Element 16a umfaßt eine piezoelektrische
Lage 18a, die beispielsweise aus Keramik besteht, und auf
zwei Hauptoberflächen desselben sind jeweils Elektroden 20a
bzw. 22a gebildet. Die Elektroden 20a und 22a sind aus einem
Elektrodenmaterial wie Gold, Silber, Aluminium, Nickel,
Kupfer-/Nickel-Legierungen (Monel-Metall) und dergleichen ge
bildet und mittels Dünnschichttechniken wie Zerstäuben und
Aufdampfen oder, in Abhängigkeit vom Material, durch Druck
techiken aufgebracht werden. Entsprechend umfassen die ande
ren piezoelektrischen Elemente 16b und 16c jeweils piezolek
trische Lagen 18b und 18c, ebenfalls beispielsweise aus Kera
mik gebildet, auf deren beiden Oberflächen jeweils Elektroden
20b bzw. 22b oder 20c bzw. 22c gebildet sind. Die Elektroden
20a bis 20c der piezoelektrischen Elemente 16a bis 16c sind
an dem Schwingkörper 14 angeklebt, beispielsweise mittels
leitfähiger Klebstoffe.
Der Schwingkörper 14 ist mittels Lagerelementen 24a und 24b,
die aus einem Metalldraht bestehen und in der Nähe der Kno
tenpunkte angeordnet sind, gelagert. Die Lagerelemente 24a
und 24b sind nahe der Knotenpunkte des Schwingkörpers 14,
beispielsweise durch Schweißen gesichert. Die Lagerelemente
24a und 24b können ebenfalls mittels einer leitfähigen Paste
befestigt werden. Die Lagerelemente 24a und 24b werden als
Erdungsanschlüsse des Schwingkreisels 10 verwendet.
Bei dem Schwingkreisel 10 werden, wenn irgendeines der
piezoelektrischen Elemente 16a bis 16c zum Treiben verwendet
wird, die verbleibenden zwei piezoelektrischen Elemente als
Detektorelemente verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel
wird beispielsweise das piezoelektrische Element 16a als
Treiber und die anderen piezoelektrischen Elemente 16b und
16c als Detektoren verwendet. Wird das Treibersignal an das
piezoelektrische Treiberelement 16a angelegt, schwingt der
Schwingkörper 14 und die sinusähnlichen Wellen werden durch
die piezoelektrischen Detektorelemente 16b und 16c ausgege
ben. Wird der Schwingkreisel 10 unter diesen Bedingungen um
seine Achse rotiert, steigt der Ausgang eines piezoelektri
schen Detektorelementes in Abhängigkeit von der
Drehwinkelgeschwindigkeit, und umgekehrt, fällt der Ausgang
des anderen piezoelektrischen Detektorelementes.
Unter Hinweis auf Fig. 13 ist zwischen den piezoelektrischen
Detektorelementen 16b, 16c und dem piezoelektrischen Treiber
element 16a des Schwingkreisels 10 ein Oszillator 100 als
Rückkopplungsschleife für die Selbstoszillation zum Treiben
des Schwingkreisels 10 angeordnet. Das heißt, der Oszillator
100 ist so ausgelegt, daß er die Ausgänge der piezoelektri
schen Detektorelemente 16b und 16c in verbundener Form an das
piezoelektrische Treiberelement 16a anlegt, und er umfaßt
einen Stellwiderstand 102 mit zwei festen Anschlüssen 102a
und 102b als Eingangsanschlüsse. Die festen Anschlüsse 102a
und 102b des Stellwiderstandes 102 sind jeweils mit den
Elektroden 22b bzw. 22c der piezoelektrischen Elemente 16b
und 16c verbunden.
Der Stellwiderstand 102 ist so ausgelegt, daß er die
Spannungsfehler und Phasendifferenzen, die zwischen den Aus
gängen der piezoelektrischen Elemente 16b und 16c erzeugt
werden, korrigiert, und diese Ausgänge vermischt. Anstelle
des variablen Widerstandes 102 können diese Ausgänge auch
durch zwei Festwiderstände vermischt werden.
Weiterhin ist ein Stellanschluß 102c des Stellwiderstandes
102 mit einer Eingangsseite eines umkehrenden Verstärkers 104
verbunden. Der umkehrende Verstärker 104 umfaßt einen
Operationsverstärker 106, und ist so ausgelegt, daß er die
Ausgangsphase des variablen Widerstandes 102 umkehrt und die
ses Signal verstärkt.
Eine Ausgangsseite des umkehrenden Verstärkers 104 ist mit
einer Eingangsseite eines Tiefpaßfilters 108 verbunden, wel
cher Zwei-Stufen RC-Filter 110 und 112 umfaßt. Jeder der RC-
Filter 110 und 112 hat einen Verzögerungsleistungsfaktor von
beispielsweise 45°. Der Tiefpaßfilter 108 ist zur Verzögerung
der Ausgangsphase von dem umkehrenden Verstärker 104 um 90°
und zur Unterdrückung der harmonischen Komponenten, die in
dem Ausgang enthalten sind, vorgesehen. Eine Ausgangsseite
des Tiefpaßfilters 108 ist mit der Elektrode 22a des piezo
elektrischen Treiberelements 16a über einen Widerstand 114
verbunden.
Die Ausgänge der piezoelektrischen Elemente 16b und 16c des
Schwingkreisels 10 werden entsprechend an zwei Eingangsseiten
eines Differentialverstärkers 150 zur Ermittlung der
Ausgangsdifferenz angelegt.
Das heißt, der Differentialverstärker 150 umfaßt einen
Idealdiodenschaltkreis 142, an deren Eingangsseite die Elek
trode 22b eines piezoelektrischen Detektorelementes 16b ver
bunden ist. Der Idealdiodenschaltkreis 152 umfaßt einen Ope
rationsverstärker 154 und zwei Dioden 156 und 158, die in
Vorwärtsrichtung zur Halbwellengleichrichtung des Sinuswel
lenausgangs von dem piezoelektrischen Element 16b in ein po
sitives Signal zwischengeschaltet sind. Die Elektrode 22c des
anderen piezoelektrischen Detektorelementes 16c ist an einer
Eingangsseite eines anderen Idealdiodenschaltkreises 160 an
geschlossen, dessen Polarität sich von dem vorgenannten
idealen Diodenschaltkreis 152 unterscheidet. Der Ide
aldiodenschaltkreis 160 umfaßt einen Operationsverstärker 162
und zwei Dioden 164 und 166, die umgekehrt zur
Halbwellengleichrichtung des Sinuswellenausgangs von dem
piezoelektrischen Element 16c in ein negatives Signal zwi
schengeschaltet sind. Die Ausgangsseiten der Idealdioden
schaltkreise 152 und 160 sind jeweils mit den Eingangsseiten
von den Glättungsschaltkreisen 168 und 170 verbunden, die
beispielsweise RC-Filter enthalten. Die Ausgangsseiten der
Glättungsschaltkreise 168 und 170 sind mit den festen An
schlüssen 172a und 172b eines Stellwiderstandes 172 als
Mischvorrichtung verbunden. Der Stellwiderstand 172 umfaßt
einen Stellanschluß 172c. Im folgenden wird der Betrieb der
jeweiligen Schaltkreise bei Nichtrotation und bei Rotation
des Schwingkreisels 10 unter Hinweis auf die Fig. 13, 14
und 15 beschrieben. Fig. 13 zeigt die Ausgangswellenform von
den jeweiligen Bereichen bei Nichtrotation des Schwingkrei
sels 10. Fig. 14 zeigt die Ausgänge der piezoelektrischen
Detektorelemente 16b und 16c, einen Ausgang des Stellwider
standes 102 des Oszillators 100 und einen Ausgang des Diffe
renzialverstärkers 150 bei Nichtrotation des Schwingkreisels
10, und Fig. 15 zeigt diese Ausgänge bei Rotation des
Schwingkreisels 10 in einer Richtung. In diesem Fall sind in
den Fig. 14 und 15 die Größen und Formen der Wellen der
Ausgänge mehr oder weniger korrekt gezeigt, jedoch die Phasen
sehr ungenau.
Bei Nichtrotation des Schwingkreisels 10 führt dieser
Biegeschwingungen in einer Richtung senkrecht zu der
Hauptoberfläche des piezoelektrischen Treiberelementes 16a
durch, so daß die piezoelektrischen Elemente 16b und 16c
gleichförmig gebogen werden. Deshalb werden von den piezo
elektrischen Elementen 16b und 16c, wie insbesondere in Fig.
14 gezeigt, gleiche Sinuswellen ausgegeben.
Bei dem Oszillator 100 werden die Ausgänge von den
piezoelektrischen Elementen 16b und 16c von dem Stellanschluß
102c des Stellwiderstandes 102 in vermischter Form ausgege
ben. In diesem Fall zeigt der vermischte Ausgang der piezo
elektrischen Elemente 16b und 16c eine vorbestimmte Sinus
welle mit einer Phase von -90° auf der Basis der Treiberseite
des Schwingkreisels 10 in einem idealen Status. Allerdings
kann eine vorbestimmte Sinuswelle, wenn Spannungsfehler und
Phasendifferenzen zwischen den Ausgängen der piezoelektri
schen Elemente 16b und 16c erzeugt werden, nicht durch einfa
ches Mischen der Ausgänge der piezoelektrischen Elemente 16b
und 16c erreicht werden. Jedoch können die Spannungsfehler
und Phasendifferenzen zwischen den Ausgängen der piezoelek
trischen Elemente 16b und 16c durch Steuerung des Stellwider
standes 102 korrigiert werden. Somit kann durch Steuerung des
Stellwiderstandes 102 der Ausgang des Stellanschlusses 102c
in eine vorbestimmte Sinuswelle mit einer Phase von -90° auf
der Basis der Treiberseite korrigiert werden. In dem Umkehr
verstärker 104 wird die sinuswellenförmige Ausgangsphase des
Stellwiderstandes 102 umgekehrt und das Signal verstärkt. So
mit wird von dem Umkehrverstärker 104 ein Signal mit einer
Phase von 90° auf der Basis der Treiberseite des Schwingkrei
sels 10 ausgegeben.
In dem Tiefpaßfilter 108 wird die Ausgangsphase des
Umkehrverstärkers 104 um 90° verzögert und in dem Ausgang
enthaltene harmonische Wellenanteile unterrückt. Somit wird
von dem Tiefpaßfilter 108 ein konstantes Signal ohne uner
wünschte harmonische Wellenkomponenten jeweils in der glei
chen Phase wie die Treiberseite des Schwingkreisels 10 ausge
geben.
Der Ausgang des Tiefpaßfilters 108 wird an die Elektrode 22a
des piezoelektrischen Treiberelementes 16a über den
Kopplungswiderstand 114 angelegt. Somit wird in diesem Aus
führungsbeispiel der selbstoszillierende Treiber des Schwing
kreisels 10 effektiv vervollständigt.
In dem Differentialverstärker 150 wird eine
Halbwellengleichrichtung des Sinuswellenausganges des piezo
elektrischen Elements 16d in positiver Richtung durch den
Idealdiodenschaltkreis 152 durchgeführt. Somit wird ein posi
tives Sinuswellenausgangssignal des piezoelektrischen Elemen
tes 16b von dem Idealdiodenschaltkreis 152 ausgegeben. Wei
terhin wird in negativer Richtung eine Halbwellen
gleichrichtung des Sinuswellenausgangssignals des
piezoelektrischen Elementes 16c durch den Idealdiodenschalt
kreis 160 durchgeführt, dessen negatives Sinuswellenausgangs
signal ausgegeben wird.
Durch die Glättungsschaltkreise 168 und 170 werden die Aus
gänge der Idealdiodenschaltkreise 152 und 160 in positive und
negative Gleichstromanteile geglättet. Diese Gleichstromaus
gänge werden an die festen Anschlüsse 172a und 172b des
Stellwiderstandes 172 zur Mischung angelegt. Somit werden von
dem Stellanschluß 172c des Stellwiderstandes 172 die Gleich
stromausgänge der Glättungsschaltkreise 168 und 170 in ver
mischter Form ausgegeben. In dem Differentialverstärker 150
wird der Ausgang des piezoelektrischen Elementes 16b durch
positive Halbwellengleichrichtung geglättet, und der Ausgang
des piezoelektrischen Elementes 16c durch Halbwellen
gleichrichtung in entgegengesezter Richtung vor der Mischung
geglättet, so daß, auch wenn eine Phasendifferenz zwischen
diesen Ausgängen vorliegt, keine Phasendifferenzfehler statt
finden.
Auch wenn zwischen diesen Ausgängen Spannungsfehler vorlie
gen, können diese durch Steuerung des Stellwiderstandes 172
als Mischvorrichtung korrigiert werden. Bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel wird der Ausgang des Differentialverstärkers
150 bei Nichtrotation des Schwingkreisels 10 auf Null gesteu
ert. Somit, wenn bestätigt wird, daß der Ausgang des Diffe
rentialverstärkers 150 Null ist, ist es bekannt, daß der
Schwingkreisel 10 nicht rotiert.
Wenn jedoch der Schwingkreisel 10 in einer Richtung um seine
Achse rotiert, wird eine Korioliskraft in senkrecht zur
Schwingrichtung liegender Richtung ausgeübt. Somit weicht die
Schwingrichtung des Schwingkreisels 10 von der Schwingrich
tung bei Nichtrotation ab. Zu diesem Zeitpunkt führt bei
spielsweise ein piezoelektrisches Detektorelement 16b Biege
schwingungen in senkrecht zu seiner Hauptoberfläche liegender
Richtung durch, während das andere piezoelektrische Detektor
element 16c Biegeschwingungen in im wesentlichen parallel zu
seiner Hauptoberfläche liegender Richtung durchführt. Wie
insbesondere in Fig. 15 gezeigt wächst damit der Ausgang
des einen piezoelektrischen Detektorelementes 16b, während
sich der Ausgang des anderen piezoelektrischen Detektore
lementes 16c um den Ausgangsanteil des piezoelektrischen Ele
mentes 16b verringert. Somit wird auch in diesem Fall der
Ausgang des Stellwiderstandes 102 des Oszillators 100 der
gleiche wie der Ausgang bei Nichtrotation. Dieser Ausgang des
Stellwiderstandes 102 wird, wenn er dem Fall der Nichtrota
tion gleich ist, an das piezoelektrische Treiberelement 16a
über den Umkehrverstärker 104, den Tiefpaßfilter 108 usw. an
gelegt. Damit kann also auch bei Rotation des Schwingkreisels
10, genauso wie bei Nichtrotation, Selbstoszillationstreiben
des Schwingkreisels 10 effizient durchgeführt werden.
Andererseits wird bei dem Differentialverstärker 150, da der
Ausgang des piezoelektrischen Elementes 16b größer wird als
der des piezoelektrischen Elementes 16c, der absolute Aus
gangswert des Glättungsschaltkreises 168 größer als der des
anderen Glättungssschaltkreises 170. Wie in Fig. 15 gezeigt
wird damit ein positiver Gleichstrom von dem Stellwiderstand
172 als Mischergebnis ausgegeben, wodurch erkannt wird, daß
der Schwingkreisel 10 in einer Richtung rotiert.
Da die Ausgangsdifferenz zwischen den piezoelektrischen Ele
menten 16d und 16c wächst, wenn die Drehwinkelgeschwindigkeit
des Schwingkreisels 10 wächst, wächst somit auch der Ausgang
des Differentialverstärkers 150. Damit kann aus der Größe des
Ausganges des Differentialverstärkers 150 die Drehwinkelge
schwindigkeit des Schwingkreisels 10 ermittelt werden. Auch
in diesem Fall werden bei dem Differentialverstärker 150 die
Ausgänge des piezoelektrischen Elementes 16b durch positive
Halbwellengleichrichtung, und die Ausgänge des piezoelektri
schen Elementes 16c durch negative Halbwellengleichrichtung
vor der Mischung geglättet, so daß auch im Fall vorliegender
Phasendifferenzen zwischen diesen Ausgängen keine Phasendif
ferenzfehler auftreten.
Wird der Vibrationskreisel 10 umgekehrt rotiert, wird, da die
Ausgänge der piezoelektrischen Elemente 16b und 16c umgekehrt
werden, von dem Differentialverstärker 150 ein negativer
Gleichstrom ausgegeben. Das heißt aus der Ausgangspolarität
des Differentialverstärkers 150 kann die Rotationsrichtung
des Schwingkreisels 10 ermittelt werden.
Gemäß vom Erfinder durchgeführter Experimente stehen in die
sem Ausführungsbeispiel die Drehwinkelgeschwindigkeit des
Schwingkreisels 10 und die Ausgangsspannung des Differential
verstärkers 150 in genauer linearer Beziehung und weisen ein
hohes S/N-Verhältnis auf, wie in Fig. 16 gezeigt.
Bei dem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel werden zur
Selbstoszillationstreibung des Schwingkreisels 10 die Aus
gänge der zwei piezoelektrischen Detektorelemente 16b und 16c
an das piezoelektrische Treiberelement 16a in gemischter Form
durch den Osziallator 100 angelegt, jedoch können anstelle
dessen diese Ausgänge an das piezoelektrische Treiberelement
in vermischter Form durch einen gewöhnlichen Kumulativver
stärker angelegt werden. Wichtig ist nur, daß zur Selbstos
zillationstreibung des Schwingkreisels 10 die Ausgänge der
zwei piezoelektrischen Detektorelemente in vermischter Form
an das piezoelektrische Treiberelement angelegt werden.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein spe
zieller Differentialverstärker 150 zur Ermittlung der Aus
gangsdifferenz der zwei piezoelektrischen Detektorelemente
16b und 16c und zur Messung der Drehwinkelgeschwindigkeit des
Schwingkreisels 10 verwendet, jedoch kann anstelle des spe
ziellen Differentialverstärkers 150 auch ein herkömmlicher
Differentialverstärker zur Ermittlung der Ausgangsdifferenz
verwendet werden. In diesem Fall wird die Ausgangsdifferenz
in Form einer Sinuswelle erhalten. Wichtig ist insbesondere,
daß zum Messen der Drehwinkelgeschwindigkeit des Schwingkrei
sels 10 die Ausgangsdifferenz der zwei piezoelektrischen De
tektorelemente ermittelt werden muß.
In dem vorbeschriebenen Oszillator 100 wurden die festen An
schlüsse 102a und 102b des Stellwiderstandes 102 als
Eingangsanschlüsse verwendet, während der Stellanschluß 102c
desselben direkt mit der Eingangsseite des Umkehrverstärkers
104 verbunden ist, die Eingangsseiten und die festen An
schlüsse 102a, 102b des Stellwiderstandes 102, sowie der
Stellanschluß 102c desselben und die Eingangsseiten des Um
kehrverstärkers 104 können entsprechend über Widerstände ver
bunden werden.
Wichtig ist, daß der Oszillator zwei Eingangsseiten sowie
einen mit den beiden Eingansseiten verbundenen Widerstand um
faßt, sowie einen Verstärker, dessen Eingangsseite mit der
Mitte des Widerstandes verbunden ist. Werden die beiden Ein
gangsseiten eines derartigen Oszillators jeweils mit den zwei
piezoelektrischen Detektorelementen eines Schwingungserregers
eines Schwingkreisels verbunden, und wird eine Eingansseite
des Oszillators mit einem piezoelektrischen Treiberelement
des Vibrators verbunden, werden die Ausgänge der beiden
piezoelektrischen Detektorelemente an das piezoelektrische
Treiberelement in vermischter Form angelegt. In diesem Fall
können, durch, Steuern des Verbindungspunktes zwischen der
Eingangsseite des Verstärkers des Oszillators und der Mitte
des Widerstandes Spannungsfehler und Phasendifferenzen, die
zwischen den Ausgängen der beiden piezoelektrischen Detektor
elemente erzeugt werden, korrigiert werden. Somit wird ein
optimales Treibersignal an das piezoelektrische Treiberele
ment des Schwingungserregers angelegt. Damit kann eine
Selbstoszillationstreibung des Schwingungserregers effizient
durchgeführt werden.
Fig. 17 ist eine Schnittansicht eines modifizierten
Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 11 und 12. Bei dem
Schwingkreisel 10 dieses Ausführungsbeispieles ist insbeson
dere ein Schwingkörper 14 aus einem schwingenden Material,
beispielsweise aus einem Metall wie Elinvar, Eisen-Nickel-Le
gierungen usw. gebildet. Auf drei Seitenflächen des Schwing
körpers 14 sind piezoelektrische Lagen 18a bis 18c der piezo
elektrischen Elemente 16a bis 16c aus einem piezoelektrischen
Material wie PZT oder ZnO mittels Dünnschichttechniken wie
Aufsprühen oder Aufdampfen gebildet. Damit sind zwischen die
sen piezoelektrischen Lagen 18a bis 18c und dem Schwingkörper
14 nicht wie in Fig. 11 und 12 Elektroden 20a bis 20c ge
bildet. Dies deshalb, weil der Schwingkörper 14 als Elektro
den 20a bis 20c dient.
Andrerseits sind auf den Oberflächen der piezoelektrischen
Lagen 18a bis 18c Elektroden 22a bis 22c aus einem
Elektrodenmaterial wie Gold, Silber, Aluminium, Nickel,
Kupfer-Nickel-Legierungen (Monell-Metall usw.) durch Dünn
schichttechniken wie Aufsprühen oder Aufdampfen gebildet. In
diesem Ausführungsbeispiel sind Lagerelemente 24a und 24b an
zwei Punkten nahender Knotenpunkte des Schwingkörpers 14 ge
sichert. Dieses Ausführungsbeispiel wird ähnlich wie das in
Fig. 11 und 12 gezeigte Ausführungsbeispiel verwendet. In
jedem der in Fig. 11, 12 und 17 gezeigten Ausfüh
rungsbeispiele kann, obwohl der Schwingkörper als regelmäßi
ges dreiflächiges Prisma gebildet ist, dieses auch als
gleichschenkliges dreiflächiges Prisma gebildet werden. In
diesem Fall sollten die piezoelektrischen Elemente, die an
den beiden gleichflächigen Seitenflächen des Schwingkörpers
14 gebildet sind, als Detektorelemente verwendet werden. Der
Schwingkörper 14 kann ebenso in anderer als gleichschenkliger
dreiflächiger Form, in polygonaler Prismaform oder vierflä
chiger, fünfflächiger oder achtflächiger Prismaform usw. ge
bildet werden. In diesem Fall sollten piezoelektrische Ele
mente wenigstens auf drei Seitenflächen des Schwingkörpers
gebildet werden. Jedes dieser piezoelektrischen Elemente kann
als Treiberelement, und die verbleibenden piezoelektrischen
Elemente als Detektorelemente verwendet werden. Wenn ein
Treibersignal an das piezoelektrische Treiberelement angelegt
wird, schwingt der Schwingkörper. Wenn der Schwingkreisel um
seine Achse rotiert wird gibt es immer Seitenflächen, deren
Hauptoberfläche in im wesentlichen senkrechter zur
Schwingrichtung liegender Richtung liegt, obwohl die
Schwingrichtung durch eine Korioliskraft geändert wird. Somit
kann, wenn die auf diesen Seitenflächen liegenden piezoelek
trischen Elemente als Detektorelemente verwendet werden, ein
großer Ausgang erreicht werden. Durch diese großen Ausgänge
der piezoelektrischen Elemente kann die Drehwinkelgeschwin
digkeit des Schwingkreisels exakt bestimmt werden.
Da piezoelektrische Elemente auf wenigstens drei Seitenflä
chen des Schwingkörpers gebildet werden, ist es nicht notwen
dig, zwei piezoelektrische Elemente auf einer Seitenfläche
des Schwingkörpers, wie in den in Fig. 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispielen, anzuordnen, woraus eine einfache Kon
struktion und geringe Kosten resultieren.
Gemäß Fig. 18 und 19 umfaßt der Schwingkreisel 10 einen
Schwingungserreger 12, welcher einen Schwingkörper 14 und
piezoelektrische Treiberelemente 16a und 16b zum Treiben des
Schwingkörpers 14 umfaßt. Der Schwingkörper 14 ist beispiels
weise in gleichseitiger dreiflächiger Prismaform gebildet.
Auf der Mittellinie zweier Seitenflächen des Schwingkörpers
14 sind die piezoelektrischen Treiberelemente 16a und 16c ge
bildet. Wie in Fig. 19 gezeigt ist ein piezoelektrisches
Element 16a mit Elektroden 20a und 22a auf beiden Oberflächen
einer piezoelektrischen Lage 18a versehen. Die Elektrode 20a
ist an die Seitenfläche des Schwingkörpers 14 angeklebt. Ent
sprechend umfaßt das andere piezoelektrische Element 16b eine
piezoelektrische Lage 18b und Elektroden 20b, 22b auf beiden
Oberflächen der Lage, wobei die Elektrode 20b an der Seiten
fläche des Schwingkörpers angeklebt ist. Durch Anlegen eines
Treibersignales an die piezoelektrischen Elemente 16a und 16b
führt der Schwingkörper 14 Biegeschwingungen in senkrecht zu
der Fläche liegender Richtung durch, auf denen die piezoelek
trischen Elemente 16a, 16b nicht gebildet sind. An der Mit
tellinie der anderen Seitenfläche des Schwingkörpers 14 ist
ein piezoelektrisches Detektorelement 16c gebildet. Das
piezoelektrische Element 16c umfaßt eine piezoelektrische
Lage 18c und Elektroden 20c, 22c, die auf beiden Oberflächen
der Lage gebildet sind, wobei die Elektrode 20c an der Sei
tenfläche des Schwingkörpers 14 angeklebt ist. Durch Erfassen
des Ausgangssignals von dem piezoelektrischen Element 16c
kann die an dem Schwingkreisel 10 anliegende Drehwinkelge
schwindigkeit erfaßt werden. Der Schwingkörper 14 ist durch
zwei Lagerelemente 24a und 24b gelagert, welche an einem Ende
zwischen zwei Flächen, auf denen die piezoelektrischen Trei
berelemente 16a, 16b des Schwingkörpers 14 gebildet sind, be
festigt sind. Die Lagerelemente 24a, 24b sind nahe der
Knotenpunkte des Schwingkörpers 14 befestigt. In diesem
Ausführungsbeispiel liegen, wenn die Länge des Schwingkörpers
14 L ist, die Befestigungspunkte jeweils 0.224 L von den ge
genüberliegenden Enden des Schwingkörpers 14 entfernt. Bei
dem Schwingkreisel 10 führt, wenn das Treibersignal an die
piezoelektrischen Treiberelemente 16a, 16b angelegt wird, der
Schwingkörper 14 Biegeschwingungen in senkrecht zu der Fläche
liegender Richtung durch, auf der die piezoelektrischen Ele
mente 16a, 16b nicht gebildet sind. Zu diesem Zeitpunkt sind
die Schwingbedingungen der Flächen des Schwingkörpers 14, auf
dem die piezoelektrischen Elemente 16a, 16b gebildet sind,
auf beiden Seiten der Enden, an denen die Lagerelemente 24a,
24b befestigt sind, symetrisch. Entsprechend sind die
Verbindungsbereiche des Schwingkörpers 14 mit den Lagerele
menten 24a, 24b frei von Torsion und die Schwingungen des
Schwingkörpers 14 werden kaum gedämpft. Wird eine derartige
Lagerkonstruktion des Schwingungserregers bei dem Schwing
kreisel 10 verwendet, sind Durchgangslöcher oder dergleichen
nicht notwendigerweise in dem Schwingkörper 14 zu bilden,
sondern die Lagerelemente 24a, 24b können durch Schweißen
verbunden werden, was die Herstellung erheblich erleichtert.
Weiterhin kann der Schwingungserreger 12 sehr kompakt herge
stellt werden, da Durchgangslöcher in dem Schwingkörper 14
nicht angebracht werden müssen.
In dem in Fig. 20 und 21 gezeigten Ausführungsbeispiel ist
der Schwingkörper 14 in Form eines gleichseitigen vierflächi
gen Prismas gebildet. Piezoelektrische Treiberelemente 16a,
16b, sind auf der Mittellinie zweier Seitenflächen des
Schwingkörpers 14 gebildet, und piezoelektrische Detektorele
mente 16c, 16d auf der Mittellinie der anderen beiden Flächen
des Schwingkörpers 14. Lagerelemente 24a, 24b sind an den En
den zwischen den Flächen des Schwingkörpers 14, auf denen die
piezoelektrischen Treiberelemente 16a, 16b gebildet sind, be
festigt. Die Lagerelemente 24a, 24b sind nahe der Knoten
punkte des Schwingkörpers 14 wie in den in Fig. 18 und 19
gezeigten Ausführungsbeispielen befestigt.
Wie in den Fig. 22 und 23 gezeigt, kann der Schwingkörper
14 eine hexagonale Prismaform aufweisen, in dem die Endkanten
des Schwingkörpers 14 gemäß Fig. 18 und 19 gebrochen werden.
In diesem Fall sind die Lagerelemente 24a, 24b zu der Ebene
zwischen den Flächen des Schwingkörpers 14, auf denen die
piezoelektrischen Treiberelemente 16a, 16b gebildet sind, be
festigt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Lager
elemente 24a, 24b nahe der Knotenpunkte befestigt.
Auch in den in Fig. 20, 21, 22 und 23 gezeigten
Ausführungsbeispielen werden die Schwingungen des Schwingkör
pers 14 kaum durch die Lagerelemente 24a, 24b gedämpft und
der Schwingungserreger kann in kompakter Größe unter Erzie
lung hervorragender Herstellungsbedingungen hergestellt wer
den.
Das heißt, jede der Lagerkonstruktionen des Schwingungserre
gers ist so ausgelegt, daß der Schwingungserreger mit dem
mehrflächigen prismaförmigen Schwingkörper, den piezoelektri
schen Treiberelementen zum Schwingen des Schwingkörpers, die
auf zwei Seitenflächen des Schwingkörpers gebildet sind, die
nicht parallel sind, und welche nahe der Knotenpunkte des
Schwingkörpers an zwei Punkten auf einer geraden Längslinie
des Schwingkörpers und gleichen Abständen von zwei Flächen
des Schwingkörpers, auf denen die piezoelektrischen Treiber
elemente gebildet sind, zu tragen. Somit sind die Schwingbe
dingungen der Schwingkörperflächen, auf denen die piezoelek
trischen Treiberelemente gebildet sind, auf beiden Seiten
einer geraden Verbindungslinie zwischen den Lagerpunkten
gleich.
Entsprechend findet kaum eine Torsion des Schwingkörpers an
den Lagerpunkten statt, da die Schwingbedingungen der Flächen
des Schwingkörpers, auf denen die piezoelektrischen Treiber
elemente gebildet sind, auf beiden Seiten der geraden Verbin
dungslinie zwischen den Lagerpunkten symetrisch sind.
Da die Lagerpunkte auf den Oberflächen des Schwingkörpers
angeordnet sind, sind Durchgangslöcher oder dergleichen nicht
notwendigerweise in dem Schwingkörper wie bisher anzuordnen,
woraus gute Herstellungsbedingungen resultieren. Weiterhin
kann der Schwingungserreger in kompakter Größe gebildet wer
den, da es nicht notwendig ist, Durchgangslöcher in dem
Schwingkörper anzuordnen.
Gemäß Fig. 24 und 25 umfaßt der Schwingungserreger 12
einen gleichseitigen dreiflächigen pismaförmigen Schwingkör
per 14. Auf dem Schwingkörper 14 sind piezoelektrische Ele
mente 16a, 16b und 16c jeweils in der Mitte der drei Seiten
flächen gebildet. Weiterhin sind, wenn die Länge des Schwing
körpers 14 L ist, an den Endkantenbereichen zwischen den
Flächen, auf denen die piezoelektrischen Elemente 16a und 16b
gebildet sind, im Abstand von 0.224 L einwärts von den gegen
überliegenden Enden, die Mittelbereiche von U-förmigen Lager
elementen 24a und 24b, die beispielsweise aus einem Draht
hergestellt sind, gesichert, beispielsweise durch Kleben oder
Schweißen.
Wird an die piezoelektrischen Elemente 16a und 16b oder 16c
ein Treibersignal angelegt, schwingt der Schwingkörper 14 in
senkrecht zu der Hauptoberfläche des piezoelektrischen Ele
mentes 16c liegender Richtung. In diesem Fall, wenn die
Lagerelemente wie oben beschrieben angeordnet sind, werden
diese Lagerelemente 24a und 24b umgekehrt zueinander axial zu
dem Schwingkörper 14 gebogen.
Die Lagervorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispieles
umfaßt eine rechtwinklige flache Lagerbasis 200 aus Metall
oder Keramik. Auf einer Hauptoberfläche der Lagerbasis 200
ist ein Schwingungsdämpfer 202 aus elastischem Material wie
Gummi, Schwamm und dergleichen angeklebt. Auf einer
Hauptoberfläche des Schwingungsdämpfers 202 sind zwei Träger
204 und 206, die in länglicher Richtung geteilt sind, ange
klebt. Auf einer Hauptoberfläche eines Trägers 204 sind seit
lich voneinander beabstandet fünf Elektroden 208a, 208b,
208c, 208d und 208e gebildet. Auf der Hauptoberfläche des an
deren Trägers 206 sind Elektroden 210a und 210b jeweils auf
gegenüberliegenden seitlichen Enden gebildet.
An den Elektroden 208a und 208e auf dem Träger 204 sind die
entgegengesetzten Enden des Lagerelementes 24a des Schwin
gungserregers 12 gesichert, beispielsweise durch Schweißen
oder dergleichen. Entsprechend sind die beiden Enden des an
deren Lagerelementes 24b jeweils an den Elektroden 210a und
210b des anderen Trägers 206 befestigt. An den Elektroden
208b, 208d und 208c des Trägers 204 sind piezoelektrische
Elemente 16a, 16b und 16c jeweils in elektrischer Verbindung,
beispielsweise durch Lötdrähte, angeordnet.
Wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Treibersignal an die
Elektroden 208b und 208d des Trägers 204, das heißt an die
piezoelektrischen Elemente 16a und 16b, oder an die Elektrode
208c, das heißt an das piezoelektrische Element 16c angelegt,
wird der Schwingungserreger 12 angetrieben. In diesem Fall
werden, da die Lagerelemente 24a und 24b entgegengesetzt
längs zu dem Schwingkörper 14 gebogen werden, die geteilten
Träger 204 und 206 unabhängig voneinander bewegt. Somit stö
ren sich die Lagerelemente 24a und 24b nicht gegenseitig, so
daß Schwingungen des Schwingungserregers 12 durch diese nicht
unterdrückt werden. Damit kann eine stabile Schwinggröße des
Schwingungserregers 12 sichergestellt werden. Weiterhin kann,
da der Schwingungsdämpfer 202 zwischen der Lagerbasis 200 und
den Trägern 204, 206 gebildet ist, eine negative Be
einflussung durch äußere Schwingungen minimiert werden.
Gemäß Fig. 26 und 27 ist ein Schwingkörper 14 eines
Schwingungserregers 12 als vierflächiges Prisma gebildet.
Piezoelektrische Elemente 16a und 16b sind in der Mitte
zweier gegenüberliegender oberer und unterer Seitenflächen
des Schwingkörpers 14 gebildet. Zwei Lagerelemente 24a und
24b sind durch die Mitte seitlich der Seitenflächen des
Schwingkörpers 14, auf denen keine piezoelektrischen Elemente
gebildet sind, angeordnet. Auf einer Hauptoberfläche des
Trägers 204 sind vier Elektroden 208a, 208b, 208c und 208d
seitlich voneinander beabstandet ausgebildet. Beide Enden des
Lagerelementes 24a sind jeweils an den Elektroden 208a und
208d auf der gegenüberliegenden Seite befestigt. An den mitt
leren Elektroden 208b und 208c sind die piezoelektischen Ele
mente 16a und 16b beispielsweise durch Lötdrähte elektrisch
verbunden.
Wird an die Mittelelektrode 208b oder 208c des Trägers 204
ein Treibersignal angelegt, wird der Schwingungserreger 12
angetrieben. In diesem Fall werden die Träger 204 und 206,
auf welchen die Lagerelemente 24a und 24b befestigt sind, die
gegensätzlich zueinander länglich zum Schwingkörper 14 gebo
gen werden, unabhängig voneinander verschoben, so daß eine
stabile Schwingungshöhe des Schwingungserregers 12 sicherge
stellt werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel können äußere. Schwingungen
absorbiert werden, da der Schwingungsdämpfer 202 ebenfalls
zwischen der Lagerbasis 200 und den Trägern 204, 206 gebildet
ist.
In jedem der in Fig. 24 bis 27 gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die Träger in zwei Teile geteilt, können jedoch in meh
rere Teile geteilt werden. Das heißt, die Lagerkonstruktion
eines Schwingungserregers ist so ausgestaltet, daß der
Schwingungserreger mit einer Mehrzahl von Lagerelementen ge
lagert wird, und sie umfaßt eine Lagerbasis, einen Schwin
gungsdämpfer, der auf dieser gebildet ist, Träger, die ge
teilt und auf dem Schwingungsdämpfer angeordnet sind, und mit
welchen eine Mehrzahl von Lagerelementen unabhängig voneinan
der verbunden sind.
Das heißt, wenn der Schwingungserreger Biegeschwingungen
durchführt, werden die Lagerelemente durch die geteilten Trä
ger unabhängig voneinander bewegt, obwohl die Mehrzahl von
Lagerelementen ebenfalls gebogen wird.
Da die Mehrzahl von Lagerelementen unabhängig voneinander be
wegt werden, werden die Schwingungen des Schwingungserregers
nicht unterdrückt. Entsprechend kann eine stabile Schwin
gungshöhe des Schwingungserregers sichergestellt werden.
Gemäß Fig. 28 und 29 umfaßt ein Schwingungserreger 12
eines Schwingkreisels 10 beispielsweise einen gleichseitigen
dreiflächigen prismaförmigen Schwingkörper 14. Auf dem
Schwingkörper 14 sind piezoelektrische Elemente 16a, 16b und
16c jeweils in der Mitte der drei Seitenflächen gebildet.
Das piezoelektrische Element 16a umfaßt eine piezoelektrische
Lage 18a beispielsweise aus Keramik, auf deren Oberfläche
eine Elektrode 20a gebildet ist. Die Befestigungselektrode
20a ist an der Seitenfläche des Schwingkörpers 14 beispiels
weise mit Klebstoff angeklebt. Auf der anderen Hauptober
fläche der piezoelektrischen Lager 18a sind Verbindungselek
troden 22a1, 22a2 und 22a3, geteilt in drei seitlich auf der
Seitenfläche des Schwingkörpers 14 liegende Teile, gebildet.
Entsprechend umfassen die anderen piezoelektrischen Elemente
16b und 16c ebenfalls piezoelektrische Lagen 18b und 18c,
beispielsweise aus Keramik, und auf einer Oberfläche dersel
ben ebenfalls Befestigungselektroden 20b und 20c. Diese Be
festigungselektroden 20b und 20b sind ebenfalls an Seiten
flächen des Schwingkörpers 14 beispielsweise durch Klebstoffe
angeklebt. Auf der anderen Hauptoberfläche der piezoelektri
schen Lage 18b sind die Verbindungselektroden 22b1, 22b2 und
22b3 seitlich voneinander beabstandet gebildet und auf der
anderen Hauptoberfläche der piezoelektrischen Lage 18c sind
die Verbindungselektroden 22c1, 22c2 und 22c3 gebildet. Jede
der Elektroden ist aus einem Elektrodenmaterial wie Gold,
Silber, Aluminium, Nickel, Kupfer-Nickel-Legierung (Monel-Me
tall) oder dergleichen und durch eine Dünnschichttechnik, wie
Aufsprühen, Aufdampfen oder dergleichen, bzw. durch Druck
techniken, in Abhängigkeit von dem verwendeten Material, ge
bildet.
Wird der Schwingkörper 14 aus einem ein Metall enthaltenes
Schwingmaterial wie Elinvar, Eisen-Nickel-Legierungen oder
dergleichen gebildet, müssen die Elektroden 20a bis 20c an
den piezoelektrischen Elementen 16a bis 16c nicht gebildet
werden. Dies deshalb, da der Schwingkörper 14 diese Elektro
den 20a bis 20c ersetzt. In diesem Fall können die piezoelek
trischen Lagen 18a bis 18c aus einem piezoelektrischen Mate
rial wie PZT, ZnO usw. durch Dünnschichttechniken wie Auf
sprühen, Aufdampfen und dergleichen gebildet werden.
Bei dem Schwingkreisel 10 wird beispielsweise das piezoelek
trische Element 16a als Treiberelement und die verbleibenen
zwei piezoelektrischen Elemente 16b und 16c als Detektorele
mente verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Trei
beranschluß 230 mit den Verbindungselektroden 22a1, 22a2 und
22a3 des piezoelektrischen Treiberelementes 16a verbunden.
Mit den Verbindungselektroden 22b3 und 22c3 der piezoelektri
schen Detektorelemente 16b und 16c, welche extrem weit von
dem piezoelektrischen Treiberelement 16a entfernt sind, ist
ein Rückkopplungsanschluß 232 verbunden. Mit den zwei Verbin
dungselektroden 22b1 und 22b2 zwischen den Verbindungs
elektroden des piezoelektrischen Detektorelementes 16b, die
nahe zu dem piezoelektrischen Treiberelement 16a sind, ist
ein Detektoranschluß 234 verbunden. Entsprechend ist mit den
zwei Verbindungselektroden 22c1 und 22c2 des anderen piezo
elektrischen Detektorelementes 16c ein weiterer Detektoran
schluß 236 verbunden.
Durch Brechen der Kantenbereiche zwischen den Seitenflächen
des Schwingkörpers 14 des Schwingkreisels 10 werden die
Resonanzfrequenzen auf der Treiberseite und entsprechend die
Resonanzfrequenzen auf den Detektorseiten in Einklang ge
bracht. Das heißt, wenn der Endkantenbereich 13a, der dem
piezoelektrischen Treiberelement 16a gegenüberliegt, gebro
chen wird, wird die Resonanzfrequenz in senkrecht zu der
Hauptoberfläche des piezoelektrischen Treiberelementes 16a
liegender Richtung gesteuert, ohne die Schwingrichtung des
Schwingkörpers 14 zu beeinflussen. Entsprechend wird, wenn
der Endkantenbereich 13b oder 13c, die den piezoelektrischen
Detektorelementen 16b oder 16c gegenüberliegen, gebrochen
wird, die Resonanzfrequenz in senkrecht zu der Hauptoberflä
che des piezoelektrischen Elementes 16b bzw. 16c gesteuert,
ohne die Schwingrichtung des Schwingkörpers 14 zu beeinflus
sen. Wird der Endkantenbereich in der länglichen Mitte gebro
chen, wird insbesondere die Dicke T1, T2 oder T3 gemäß Fig.
29 in Schwingrichtung verringert, woraus resultiert, daß die
Resonanzfrequenz ebenfalls reduziert wird, während, wenn die
länglichen Endkanten der Endkantenbereiche gebrochen werden,
die Resonanzfrequenz erhöht wird.
Bei dem Schwingkreisel 10 werden, wenn alle Resonanzfrequen
zen in drei Richtungen senkrecht zu den Hauptoberflächen der
piezoelektrischen Elemente 16a, 16b und 16c voneinander un
terschiedlich sind, diese Resonanzfrequenzen durch Brechen
von wenigstens zwei Endbereichen in Einklang gebracht, wäh
rend, wenn die Resonanzfrequenz in einer Richtung sich von
den Resonanzfrequenzen in zwei Richtungen unterscheidet,
wenigstens ein Kantenbereich gebrochen wird. Dabei wird die
Resonanzfrequenz auf der Treiberseite mit den jeweiligen Re
sonanzfrequenzen auf der Detektorseite in Einklang gebracht.
Wenn die Resonanzfrequenzen der Treiberseite mit denen der
Detektorseiten übereinstimmen, sind die länglichen Mittelbe
reiche der Kantenbereiche des Schwingkörpers 14 vorteilhaf
terweise gebrochen. Werden die Mittelbereiche der Kanten des
Schwingkörpers 14 zur Einstellung der Resonanzfrequenz gebro
chen, soll zunächst die Kante gebrochen werden, die mit der
höchsten Resonanzfrequenz übereinstimmt.
Bei dem Schwingkreisel 10 ist mit dem Rückkopplungsanschluß
232 und dem Treiberanschluß 230 ein Oszillator 250 als
Rückkopplungsschleife verbunden, wie in Fig. 30 gezeigt. Da
mit führt der Schwingkreisel 10 Selbstoszillations-Antrieb
durch. In diesem Fall schwingt der Schwingkörper 14 in senk
recht zu der Hauptoberfläche des piezoelektrischen
Treiberelementes 16a liegender Richtung und von den piezo
elektrischen Detektorelementen 16b und 16c oder den Detektor
anschlüssen 234 und 236 werden die Ausgangssignale erhalten.
Die Detektoranschlüsse 234 und 236 sind mit einem umkehrenden
Eingangsende und einem nicht umkehrenden Eingangsende eines
Differentialverstärkers 252 verbunden. An der Ausgangsseite
des Differentialverstärkers 252 ist die Eingangsseite eines
synchronisierenden Detektorschaltkreises 254 angeschlossen,
an welchem über einen Phasenschaltkreis 256 der vorgenannte
Oszillationsschaltkreis 250 angeschlossen ist. Der Phasen
schaltkreis 256 wird so gesteuert, daß das Signal auf der po
sitiven oder der negativen Seite der Ausgangsdifferenz zwi
schen den Detektoranschlüssen 234 und 236 von einer Ausgangs
seite des synchronisierenden Detektorschaltkreises 254 erhal
ten werden kann. Die Ausgangsseite des synchronisierenden De
tektorschaltkreises 254 ist mit der Eingangsseite eines
Gleichstromverstärkers 258 verbunden, um das Signal von die
sem gleichzurichten.
Im folgenden wird der Betrieb des Schwingkreisels 10 im De
tail beschrieben.
Zunächst wird angenommen, daß, wenn der Schwingkreisel 10
nicht rotiert wird, die gegenüberliegenden Enden des Schwing
körpers 14 beispielsweise in durch den Pfeil in Fig. 31 an
gedeuteter Richtung bzw. entgegengesetzt zu der Seite, auf
der das piezoelektrische Treiberelement 16a gebildet ist, ge
bogen werden. Da die Biegebedingungen der piezoelektrischen
Lagen 18b des piezoelektrischen Detektorelementes 16b in Be
reichen nahe zu und entfernt von dem piezoelektrischen Trei
berelement 16a unterschiedlich sind, sind die erzeugten Aus
gangsspannungen nicht gleich. Wenn die positive Spannung von
der Verbindungselektrode 22b1, die nahe zu dem piezoelektri
schen Treiberelement 16a liegt, ausgegeben wird, wird nega
tive Spannung von der Verbindungselektrode 22b2, die von die
sem entfernt liegt, ausgegeben. Die Spannungen der
Verbindungselektroden 22b1 und 22b2 heben einander auf, und
die von dem Detektoranschluß 234 erhaltene Ausgangsspannung
ist verschlechtert. Entsprechend wird positive Spannung von
der Verbindungselektrode 22c1 des anderen piezoelektrischen
Detektorelementes 16c, und negative Spannung von der Verbin
dungselektrode 22c2 ausgegeben. Auch diese Spannungen heben
einander auf, so daß die Ausgangsspannung, die von dem ande
ren Detektoranschluß 236 erhalten wird, ebenfalls ver
schlechtert ist. Wenn die gegenüberliegenden Enden des
Schwingkörpers 14 in der Richtung gebogen werden, in welcher
das piezoelektrische Treiberelement 16a gebildet ist, werden
die Ausgangsspannungen von den Verbindungselektroden umge
kehrt.
Wird der Fall in Betracht gezogen, wo der Schwingkreisel 10
um seine Achse rotiert wird, finden, durch Vector-Verbindung
der Vibrationsrichtung bei Nichtrotation und einer Koriolis
kraft in Folge Rotation, die beispielsweise in Fig. 32 ge
zeigten Biegeschwingungen in senkrecht zu der Fläche liegen
der Richtung auf der das piezoelektrische Detektorelement 16b
gebildet ist, statt. Unter der Annahme, daß die gegenüberlie
genden Enden des Schwingkörpers 14, wie durch Pfeil in Fig.
32 angedeutet in der Richtung gebogen werden, in welcher das
piezoelektrische Detektorelement 16b gebildet ist, wird nega
tive Spannung von den Verbindungselektroden 22b1 und 22b2 des
piezoelektrischen Detektorelementes 16b, und positive Span
nung von den Verbindungselektroden 22c1 und 22c2 des piezo
elektrischen Detektorelementes 16c ausgegeben. Damit wird von
einem Detektoranschluß 234 ein hoher negativer Spannungswert,
und von dem anderen Detektoranschluß 236 ein hoher positiver
Spannungswert ausgegeben. Werden die entgegengesetzten Enden
des Schwingkörpers 14 umgekehrt zu der Fläche, auf welcher
das piezoelektrische Detektorelement 16b gebildet ist, gebo
gen, werden die Ausgangsspannungssignale der Verbindungselek
troden umgekehrt.
Da bei dem Schwingkreisel 10 die Resonanzfrequenz auf der
Treiber- und Detektorseite übereinstimmen, werden sehr effi
zient die Ausgangsspannungen von dem piezoelektrischen Detek
torelementen 16b und 16c oder den Detektoranschlüssen 234 und
236 erhalten, woraus resultiert, daß die Drehwinkelgeschwin
digkeit sehr effektiv ermittelt werden kann. Die Frequenzcha
rakteristika des Schwingkreisels 10 vor Übereinstimmung der
Resonanzfrequenzen auf der Treiber- und Detektorseite sind in
Fig. 33 gezeigt, während die bei Übereinstimmung der Reso
nanzfrequenzen in Fig. 34 gezeigt sind.
Weiterhin ist bei dem Schwingkreisel 10 die
Ausgangsspannungsdifferenz bei Nichtrotation und Rotation
groß, woraus ein gutes S/N-Verhältnis resultiert. Da die Aus
gangssignaldifferenz zwischen den Detektoranschlüssen 234 und
236 erfaßt wird, wird die Ausgangsspannung bei Nichtrotation
etwas kleiner und die bei Rotation etwas größer.
Die die Beziehung zwischen der Drehwinkelgeschwindigkeit
(DEG/SEC) und der Ausgangsspannung (V) bei erregtem Schwing
kreisel 10 repräsentierende Ausgangsspannungscharakteristika
sind in Fig. 35 gezeigt, die die Beziehung zwischen dem
Kippwinkel (Grad) und der Ausgangsspannung (V) repräsentie
renden ist in Fig. 36 gezeigt.
Mit für zwei Stunden bei 600°C spannungsfrei geglühtem Elin
var als Material für den Schwingkörper 14 in dem Schwingkrei
sel 10, wie in Fig. 37 gezeigt, wurden gute Frequenztempera
turcharakteristika bei einem niedrigen Frequenzvariationsfak
tor (%) gegenüber Temperatur (°C) Variationen erzielt.
Gemäß Fig. 38 sind im Vergleich zu dem in Fig. 28 und 29
gezeigtem Ausführungsbeispiel auf den anderen Hauptoberflä
chen der piezoelektrischen Lagen 18a, 18b und 18c Verbin
dungselektroden 22a, 22b und 22c gebildet. Bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel ist der Treiberanschluß 230 mit einer Verbin
dungselektrode 22a und die Detektoranschlüsse 234 und 236 mit
den Verbindungselektroden 22b und 22c verbunden. Die Ausgänge
der Detektoranschlüsse 234 und 236 werden zu dem Treiberan
schluß 230 in Mischform zur Eigenoszillation rückgekoppelt.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel werden die Kantenbereiche
13a, 13b oder 13c des Schwingkörpers 14 zur Abstimmung der
Resonanzfrequenzen auf der Treiber- und Detektorseite abge
schabt, so daß die Drehwinkelgeschwindigkeit effektiv be
stimmt werden kann.
Bei dem in Fig. 39 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein
Schwingkörper 14 als gleichseitiger vierflächiger prismaför
miger Körper ausgebildet, und auf vier Seiten sind piezoelek
trische Elemente 16a, 16b, 16c und 16d gebildet. In diesem
Ausführungsbeispiel werden zwei benachbarte piezoelektrische
Elemente 16a und 16b als Treiber und die verbleibenden zwei
piezoelektrischen Elemente 16c und 16d als Detektoren verwen
det. Somit sind Treiberanschlüsse 230a und 230b mit den
piezoelektrischen Treiberelementen 16a und 16b verbunden, so
wie Detektoranschlüsse 234 und 236 mit den piezoelektrischen
Detektorelementen 16c und 16d. Auch in diesem Ausfüh
rungsbeispiel werden die Kantenbereiche zwischen den Seiten
flächen des Schwingkörpers 14 gebrochen, um die Resonanzfre
quenzen auf der Treiber- und Detektorseite in Übereinstimmung
zu bringen. In diesem Fall kann die Resonanzfrequenz auf der
Treiberseite weitestgehend gesteuert werden, ohne die
Schwingrichtung des Schwingkörpers 14 zu beeinflussen, in dem
der Kantenbereich 13a zwischen den Seitenflächen, auf denen
die piezoelektrischen Treiberelemente 16a und 16b gebildet
sind, oder des Kantenbereiches 13c zwischen den Seitenflä
chen, auf denen die piezoelektrischen Detektorelemente 16c
und 16d gebildet sind gebrochen werden, wobei die Dicke P und
zusätzliche Masse des Schwingkörpers 14 in Abhängigkeit von
der Resonanzfrequenz auf der Treiberseite geändert werden
kann. Durch Abschaben der anderen Kantenbereiche 13b oder 13d
kann die Resonanzfrequenz auf der Detektorseite ohne Beein
flussung der Schwingrichtung und der Resonanzfrequenz auf der
Treiberseite gesteuert werden.
Somit wird der Ausgang von den piezoelektrischen Detektorele
menten effektiv erhalten und die Drehwinkelgeschwindigkeit
kann entsprechend ermittelt werden.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 28 bis 39
der Schwingkörper als gleichseitiges dreiflächiges oder vier
flächiges Prisma gebildet wurde, kann er als anderes vierflä
chiges Prisma ausgestaltet werden. Dabei sollten die piezo
elektrischen Elemente jeweils auf wenigstens drei oder mehr
Seitenflächen des Schwingkörpers angeordnet werden. Die
piezoelektrischen Elemente, die auf den Seitenflächen, die
nicht parallel zueinander sind, gebildet werden, sollten ent
weder als Treiber oder Detektoren verwendet werden, und die
anderen piezoelektrischen Elemente jeweils für das andere als
Treiber oder Detektoren. Die Resonanzfrequenzen auf der Trei
ber- und Detektorseite werden abgestimmt durch Abschaben der
Kantenbereiche zwischen den Seitenflächen des Schwingkörpers.
Wenn die Kantenbereiche zwischen den Seitenflächen des
Schwingkörpers abgeschabt werden, um die Resonanzfrequenzen
auf der Treiber- und Detektorseite abzustimmen, weicht die
Schwingrichtung des Schwingkörpers nicht ab, da die piezo
elektrischen Elemente, die auf nicht zueinander parallel lie
genden Seitenflächen angeordnet sind, entweder als Treiber
oder Detektoren verwendet werden, so daß Detektorfehler ver
hindert werden. Somit wird effizient ein Ausgang von dem
piezoelektrischen Detektorelement erhalten und damit die
Drehwinkelgeschwindigkeit des Schwingkreisels.
Bei dem in Fig. 40 gezeigten Ausführungsbeispiel werden in
dem Schwingungserreger beliebige zwei der piezoelektrischen
Elemente 16a bis 16c als Treiber und das verbleibende zur
Rückkopplung verwendet. Die piezoelektrischen Elemente 16a
und 16b werden beispielsweise als Treiber und das andere
piezoelektrische Element 16c zur Rückkopplung verwendet. Eine
Elektrode 22c des für die Rückkopplung verwendeten piezoelek
trischen Elementes 16c ist mit einer Eingangsseite eines Os
zillators 272 über einen Rückkopplungsanschluß 270 verbunden.
Eine Ausgangsseite des Oszillators 272 ist mit einem Treiber
anschluß 274 verbunden, welcher weiterhin mit einer Elektrode
22a des piezoelektrischen Treiberelementes 16a über einen
Festwiderstand 276a, sowie mit einer Elektrode 22b des piezo
elektrischen Treiberelementes 16b über einen Festwiderstand
276b verbunden ist. Somit wird der Ausgang des piezoelektri
schen Rückkopplungselementes 16c zu den zwei piezoelektri
schen Treiberelementen 16a und 16b über den Oszillator 272
usw. rückgekoppelt, so daß der Schwingungserreger 12 Eigenos
zillation durchführt. In diesem Fall schwingt der Schwingkör
per 14 des Schwingungserregers 12 in der auf zwei Treiber
richtungen vermischten Richtung durch die zwei piezoelektri
schen Treiberelemente 16a und 16b. Bei diesem Ausführungsbei
spiel sind die Amplituden des Schwingkörpers 14 größer im
Vergleich zu dem Fall, wo ein piezoelektrisches Treiber
element verwendet wird. Weiterhin ist die Schwinghöhe des
Schwingkörpers 14 stabilisiert gegen mechanische Variationen
wie Variationen der Zeit, der Temperatur, des Befestigungs
winkels oder der Gravität (Position des Zentrums der Gravi
tät). Mit den Elektroden 22a und 22b auf der Eingangsseite
der piezoelektrischen Treiberelemente 16a und 16b sind Detek
torenanschlüsse 278a und 278b verbunden. Die Detektorenan
schlüsse 278a und 278b sind so ausgelegt, daß sie Wider
standsveränderungen der piezoelektrischen Treiberelemente 16a
und 16b erfassen, die in Folge der Drehwinkelgeschwindigkeit
des Schwingkreisels 10 eintreten. Die Detektorenanschlüsse
278a und 278b sind jeweils mit zwei Eingangsseiten des Diffe
rentialverstärkers 280 verbunden. In dem Differentialverstär
ker 280 werden die Widerstandsveränderungen der piezoelektri
schen Treiberelemente 16a und 16b als Spannungsdifferenzen
zwischen den Elektroden 22a und 22b festgestellt. Somit kann
die Drehwinkelgeschwindigkeit des Schwingkreisels 10 aus dem
Ausgang des Differentialverstärkers 280 ermittelt werden.
Bei dem Schwingkreisels 10 wird, da ein Schwingungserreger 12
mit hohen Amplituden verwendet wird, die Sensibilität der Er
fassung der Drehwinkelgeschwindigkeit verbessert. Da die
Schwinghöhe des Schwingkörpers 14 gegen mechanische Verände
rung stabilisiert ist, wird auch die Drehwinkelgeschwindigkeit
stabil ermittelbar. Da bei dem Schwingkreisel 10 die Drehwin
kelgeschwindigkeit gemessen wird, in dem die Spannungsdiffe
renz zwischen den Elektroden 22a und 22b der piezoelektri
schen Treiberelemente 16a und 16b gemessen wird, das heißt
die Spannungsdifferenz der Eingangsseite der piezoelek
trischen Treiberelemente ohne die Verwendung eines gesonder
ten piezoelektrischen Detektorelementes, kann die
Drehwinkelgeschwindigkeit exakt gemessen werden, auch wenn
Charakteristikaveränderungen, Veränderungen der Zeit, der
Temperatur und dergleichen stattfinden, da die Treiberspan
nungen stab 25009 00070 552 001000280000000200012000285912489800040 0002003926504 00004 24890ilisiert sind, ohne von der Charakteristika der
piezoelektrischen Elemente oder deren Resonanzfrequenz-Abwei
chungen beeinflußt zu sein.
Bei dem in Fig. 41 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der
Schwingkörper 14 als gleichseitiges vierflächiges Prisma aus
gebildet, und piezoelektrische Elemente 16a, 16b, 16c und 16d
sind jeweils auf vier Seitenflächen des Schwingkörpers 14 an
geordnet. Die zwei benachbarten piezoelektrischen Elemente
16a und 16b werden als Treiber, und die verbleibenden zwei
piezoelektrischen Elemente 16c und 16d zur Rückkopplung ver
wendet. Somit werden die zwei piezoelektrischen Rück
kopplungselemente 16c und 16d jeweils mit zwei festen An
schlüssen 282a und 282b eines Stellwiderstandes 282 verbun
den, dessen Stellanschluß 282c mit der Eingangsseite eines
Oszillators 272 über einen Rückkopplungsanschluß 270 verbun
den ist. Somit werden bei diesem Ausführungsbeispiel Ausgänge
von den zwei piezoelektrischen Rückkopplungselementen 16c und
16d in Mischform auf die zwei piezoelektrischen Treiberele
mente 16a und 16b rückgekoppelt.
Anstelle der in Fig. 40 und 41 gezeigten Schwingungserre
gern kann der Schwingkörper 14 auch in einer gleichschenkli
gen dreiflächigen Prismaform ausgebildet sein. In diesem Fall
werden piezoelektrische Elemente, die auf den beiden identi
schen Seitenflächen gebildet sind, als Treiberelement, und
ein auf der anderen Seite ausgebildetes piezoelektrisches
Element zur Rückkopplung verwendet. Der Schwingkörper 14 kann
auch die Form eines mehrflächigen Prismas aufweisen. In die
sem Fall werden piezoelektrische Elemente auf wenigstens drei
Seitenflächen des Schwingkörpers gebildet, wobei zwei oder
mehr piezoelektrische Elemente zum Treiben und eines oder
mehr verbleibende piezoelektrische Elemente zur Rückkopplung
verwendet werden. Bei einem derartigen Schwingungserreger
schwingt der Schwingkörper in einer aus den Treiberrichtungen
gemischten Richtung, wenn Ausgänge von einem oder mehreren
piezoelektrischen Rückkopplungselementen auf zwei oder meh
rere piezoelektrische Treiberelemente rückgekoppelt werden.
Da der Schwingkörper durch zwei oder mehr piezoelektrische
Treiberelemente in Schwingung versetzt wird, ist die Ampli
tude des Schwingkörpers größer im Vergleich mit dem Fall, wo
der Schwingkörper durch ein piezoelektrisches Treiberelement
getrieben wird. Entsprechend kann ein hochsensibler Schwing
kreisel, der kaum durch äußere unnötige Schwingungen beein
flußbar ist, erreicht werden. Da der Schwingkörper von zwei
Richtungen getrieben wird und in der aus den Treiberrichtun
gen gemischten Richtung schwingt, kann eine stabile Schwing
höhe erreicht werden, die stabil gegen mechanische Statusver
änderungen wie Veränderungen der Zeit, der Temperatur, des
Befestigungswinkels oder Schwerkraft (Zentrum der Schwer
kraft) des Schwingkörpers und seiner Lagerelemente oder La
gerbasis sind, im Vergleich mit dem Fall, wo der Schwingkör
per durch ein piezoelektrisches Treiberelement getrieben
wird, dem sogenannten Einwegtreiberfall. Entspechend kann ein
derartiger Schwingungserreger in vorteilhafter Weise in einer
Vorrichtung eingesetzt werden, deren Grundschwingungshöhe
stabil zur Erfassung feiner Schwingungen sein muß, wie bei
spielsweise einem Schwingkreisel.
In dem in Fig. 42 gezeigten Ausführungsbeispiel hat ein
Schwingkörper 14 die Form eines gleichseitigen dreiflächigen
Prismas, und auf zwei Seitenflächen desselben sind jeweils
piezoelektrische Elemente 16a und 16b gebildet. Ein piezo
elektrisches Element 16a ist als Treiber und das andere
piezoelektrische Element 16b zur Rückkopplung verwendet. Ent
sprechend ist ein Detektoranschluß 278 an einer Elektrode 22a
auf der Eingangsseite des piezoelektrischen Treiberelementes
16a zur Erfassung der Drehwinkelgeschwindigkeit verbunden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Elektrode 22b des
piezoelektrischen Rückkopplungselementes 16b mit der Ein
gangsseite eines Oszillators 272 verbunden, dessen Ausgangs
seite mit der Elektrode 22a des piezoelektrischen Treiberele
mentes 16a über einen Festwiderstand 276 verbunden ist.
In dem in Fig. 43 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein
Schwingkörper 14 in Form eines gleichseitigen vierflächigen
Prismas gebildet und auf zwei gegenüberliegenden Seitenflä
chen sind piezoelektrische Elemente 16a und 16b gebildet. Ein
piezoelektrisches Element 16a wird als Treiber und das andere
piezoelektrische Element 16b zur Rückkopplung verwendet. So
mit ist auch in diesem Ausführungsbeispiel, genauso wie in
dem in Fig. 42 gezeigten Ausführungsbeispiel, an einer Elek
trode 22a an der Eingangsseite des piezoelektrischen Treiber
elementes 16a ein Detektoranschluß 278 zur Erfassung der
Drehwinkelgeschwindigkeit angeschlossen, und zwischen dem
piezoelektrischen Rückkopplungselement 16b und dem piezoelek
trischen Treiberelement 16a ein Oszillator 272 und ein Fest
widerstand 276 in Reihe zwischengeschaltet. Obwohl in den in
Fig. 40 bis 43 gezeigten Ausführungsbeispielen der
Schwingkörper 14 eine gleichseitige dreiflächige Prismaform
oder eine gleichseitige vierflächige Prismaform hat, kann es
die Form eines mehrflächigen Prismas haben. Auch in diesem
Fall kann, wenn ein Detektoranschluß mit der Eingangsseite
eines piezoelektrischen Treiberelementes, welches auf der
Seitenfläche des Schwingkörpers gebildet ist, verbunden ist,
der Ausgang entsprechend der Drehwinkelgeschwindigkeit erhal
ten werden, ohne durch ein piezoelektrisches Element zu lau
fen, und die Drehwinkelgeschwindigkeit kann exakt und ohne
durch die Charakteristika des piezoelektrischen Elementes be
einflußt zu sein ermittelt werden, auch im Fall auftretender
Charakteristika-Abweichungen wie zeitliche Veränderungen,
Temperaturveränderungen und dergleichen im piezoelektrischen
Element.
In dem in Fig. 44 gezeigten Ausführungsbeispiel sind bei dem
Schwingkreisel 10 zwei Elektroden 22a und 22b von zwei
piezoelektrischen Treiberelementen 16a und 16b mit festen An
schlüssen 284a und 284b eines Stellwiderstandes 284
verbunden. Mit einem Stellanschluß 284c des Stellwiderstandes
284 ist ein Treiberanschluß 274 verbunden. Wird der
Schwingkreisel 10 getrieben kann von den Detektoranschlüssen
278a und 278b die der Drehwinkelgeschwindigkeit entsprechende
Ausgangsspannung erhalten werden. Wird der Stellwiderstand
284 so gesteuert, daß das Produkt C1 × R1 des elektrosta
tischen Kapazitätswertes C1 des piezoelektrischen
Treiberelementes 16a und des Widerstandsbeiwertes R1 eines
festen Anschlusses 284a zu dem Stellanschluß 284c des
Stellwiderstandes 284, und das Produkt C2 × R2 des
elektrostatischen Kapazitätswertes C2 des piezoelektrischen
Treiberelementes 16b und des Widerstandsbeiwertes R2 des
anderen festen Anschlusses 284b zu dem Stellanschluß 284c des
Stellwiderstandes 284 im wesentlichen gleich sind, kann die
Ausgangsspannung von den Detektoranschlüssen 278a und 278b
ohne von der Verteilung der elektrostatischem Kapazitätswerte
der piezoelektrischen Treiberelemente 16a und 16b und den
damit verbundenen Abweichungen der Resonanzfrequenzen
beeinflußt zu sein, erhalten werden.
Bei dem Schwingkreisel 10 sollten die Ausgangsspannungen von
den Detektoranschlüssen 278a und 278b in Phase gesteuert
werden, auch wenn die Verteilung der elektrostatischen
Kapazitätswerte oder die damit verbundenen Abweichungen der
Resonanzfrequenzen in dem piezoelektrischen Element
auftreten. Entsprechend können die Spannungsdifferenzen
zwischen den Detektoranschlüssen 278a und 278b oder der
Ausgang des Differentialverstärkers 280 bei Stillstand (bei
Nichtrotation) zu Null werden. Bei Rotation wird ein positi
ves oder negatives Signal in Abhängigkeit der
Drehwinkelgeschwindigkeit erhalten, in dem die
Spannungsdifferenz zwischen den Detektoranschlüssen 278a und
278b durch einen synchronisierenden Detektorschaltkreis
erfaßt wird. Somit kann bei dem Schwingkreisel die
Drehwinkelgeschwindigkeit exakt gemessen werden.
In dem in Fig. 45 gezeigten Ausführungsbeispiel ist im
Vergleich zu dem in Fig. 44 gezeigten Ausführungsbeispiel,
obwohl die Ausgestaltung des Schwingkörpers 14, der
piezoelektrischen Elemente 16a bis 16c und eines variablen
Widerstandes 284 gleich sind, der einzige Unterschied, daß
zwei piezoelektrische Elemente 16a und 16b zur Rückkopplung
und das verbleibende piezoelektrische Element 16c als Treiber
verwendet werden.
Somit ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Treiberanschluß
274 mit einer Elektrode 22c des piezoelektrischen Elementes
16c verbunden. Ein Rückkopplungsanschluß 270 ist mit einem
Stellanschluß 284c des Stellwiderstandes 284 verbunden. Da in
diesem Ausführungsbeispiel die der Drehwinkelgeschwindigkeit
entsprechende Ausgangsspannung von den piezoelektrischen
Rückkopplungselementen 16a und 16b erhalten wird, sind mit
Elektroden 22a und 22b der piezoelektrischen Elemente 16a und
16b Detektoranschlüsse 278a und 278b verbunden. Wenn der
Stellwiderstand 284 so gesteuert wird, daß das Produkt C1 ×
R1 des elektrostatischen Kapazitätswertes C1 des pie
zoelektrischen Elementes 16a und der Widerstandsbeiwert R1
eines festen Anschlusses 284a zu dem Stellanschluß 284c des
Stellwiderstandes 284, und das Produkt C2 × R2 des
elektrostatischen Kapazitätswertes C2 des piezoelektrischen
Elementes 16b und des Widerstandsbeiwertes R2 von dem anderen
festen Anschluß 284b zu dem Stellanschluß 284c des
Stellwiderstandes 284 im wesentlichen gleich sind, kann von
den Detektoranschlüssen 278a und 278b die Ausgangsspannung
ohne von der Verteilung der elektrostatischen Kapazitätswerte
der piezoelektrischen Elemente 16a und 16b und der damit
verbundenen Abweichungen der Resonanzfrequenzen beeinflußt zu
sein, erhalten werden.
In dem in Fig. 46 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein
Schwingkörper 14 in Form eines gleichseitigen vierflächigen
Prismas ausgebildet, und auf vier Seitenflächen desselben
sind piezoelektrische Elemente 16a, 16b, 16c und 16d
gebildet. Die zwei benachbarten piezoelektrischen Elemente
16a und 16b werden zum Treiben, und die verbleibenden zwei
piezoelektrischen Elemente 16c und 16d zur Rückkopplung
verwendet. Entsprechend sind feste Anschlüsse 284a und 284b
eines Stellwiderstandes 284 mit den piezoelektrischen
Treiberelementen 16a und 16b, und ein Stellanschluß 284c des
Stellwiderstandes 284 mit einem Treiberanschluß 274
verbunden. Entsprechend sind zwei feste Anschlüsse 286a und
286b eines einzelnen Stellwiderstandes 286 mit den
piezoelektrischen Rückkopplungselementen 16c und 16d
verbunden, und mit dem Stellanschluß 286c ist ein
Rückkopplungsanschluß 270 verbunden. Auch bei diesem
Ausführungsbeispiel wird, genau wie bei dem in Fig. 44 und
45 gezeigten Ausführungsbeispiel, ein Oszillator 272 mit dem
Rückkopplungsanschluß 270 und dem Treiberanschluß 274
verbunden. Somit führt der Schwingkreisel 10 ebenfalls
Eigenoszillation durch. In diesem Fall werden die der
Drehwinkelgeschwindigkeit entsprechenden Ausgangsspannungen
in den piezoelektrischen Treiberelementen 16a und 16b
erzeugt. Somit sind in diesem Ausführungsbeispiel die
Detektoranschlüsse 278a und 278b mit den piezoelektrischen
Treiberelementen 16a und 16b verbunden. Die
Detektoranschlüsse 278a und 278b sind mit der Eingangsseite
eines Differentialverstärkers 280 verbunden. Genau wie bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 44 können
Ausgangsspannungen von den Detektoranschlüssen 278a und 278b
erhalten werden, in dem der Stellwiderstand 284, der mit den
piezoelektrischen Treiberelementen verbunden ist, gesteuert
wird.
Da in diesem Ausführungsbeispiel die der Drehwinkelge
schwindigkeit entsprechenden Ausgangsspannungen ebenso von
den piezoelektrischen Rückkopplungselementen 16c und 16d
erzeugt werden, können die Detektoranschlüsse 278a und 278b
jeweils mit den piezoelektrischen Rückkopplungselementen 16c
und 16d verbunden sein. In diesem Fall werden durch Steuerung
des einzelnen Stellwiderstandes 286 Ausgangsspannungen von
den Detektoranschlüssen 278a und 278b erhalten.
Obwohl in den in Fig. 44 bis 46 gezeigten
Ausführungsbeispielen der Schwingkörper eine gleichseitige
dreiflächige oder gleichseitige vierflächige Prismaform
aufweist, kann er eine vielflächige Prismaform haben. In
diesem Fall werden piezoelektrische Elemente auf wenigstens
drei Seitenflächen des Schwingkörpers gebildet, und jeweils
zwei feste Anschlüsse des Stellwiderstandes werden mit zwei
piezoelektrischen Elementen verbunden, so daß zwei Detektor
anschlüsse jeweils mit den zwei piezoelektrischen Elementen
verbunden sind und der Stellanschluß des Stellwiderstandes
entweder zum Treiben oder zur Rückkopplung verwendet wird.
Wird ein Treibersignal an den Stellanschluß des
Stellwiderstandes angelegt, um das Treibersignal an zwei
piezoelektrischen Elementen, die mit den zwei festen
Anschlüssen des Stellwiderstandes verbunden sind, anzulegen,
oder das Ausgangssignal von diesen zwei piezoelektrischen
Elementen wird an die anderen piezoelektrischen Elemente über
die Stellanschlüsse des Stellwiderstandes angelegt, wird der
Schwingkreisel angetrieben, und die der Drehwinkelge
schwindigkeit entsprechenden Ausgangsspannungen von den zwei
Detektoranschlüssen erhalten. Die Ausgangsspannungen, die
von den zwei Detektoranschlüssen erhalten werden, sind in
Phase, wenn der Stellwiderstand so gesteuert wird, daß das
Produkt C1 × R1 des elektrostatischen Kapazitätswertes C1 von
einem der beiden piezoelektrischen Elemente und der
Widerstandswert R1 von einem festen Anschluß, der mit dem
piezoelektrischen Element verbunden ist, zu dem
Stellanschluß, und daß Produkt C2 × R2 des elektrostatischen
Kapazitätswertes C2 des anderen piezoelektrischen Elementes
und des Widerstandsbeiwertes R2 des anderen festen
Anschlusses, der mit dem piezoelektrischen Element verbunden
ist, zu dem Stellanschluß im wesentlichen gleich sind. Da die
Ausgangsspannungen von den zwei Detektorelementen in Phase
gebracht werden können, ohne von der Verteilung der
elektrostatischen Kapazitätswerte der piezoelektrischen
Elemente und der damit verbundenen Abweichungen der
Resonanzfrequenzen beeinflußt zu sein, kann die Drehwinkelge
schwindigkeit exakt gemessen werden.
In dem in Fig. 47 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der
Schwingungserreger 12 in Form eines gleichseitigen
dreiflächigen prismaförmigen Schwingkörpers 14 ausgebildet.
Piezoelektrische Elemente 16a, 16b und 16c sind jeweils auf
dem Schwingkörper 14 in der Mitte der drei Seitenflächen
gebildet. Mit Elektroden 22a, 22b und 22c der
piezoelektrischen Elemente sind drei Anschlüsse 300a, 300b
und 300c verbunden. Die Elektroden 22a und 22b der
piezoelektrischen Elemente 16a und 16b sind mit den
gegenüberliegenden Seiten 302a und 302b eines
Festwiderstandes 302 verbunden. Der Festwiderstand 302 ist so
ausgelegt, daß er die Charakteristika zwischen den
piezoelektrischen Elementen 16a und 16b ausgleicht. Das
heißt, daß in einem Schwingungserreger, mit welchem ein
derartiger Widerstand nicht verbunden ist, die Charak
teristika zwischen den piezoelektrischen Elementen durch
Verteilung der elektrostatischen Kapazitätswerte der
piezoelektrischen Elemente und der damit verbundenen
Abweichungen der Resonanzfrequenzen unausgeglichen sind,
jedoch sind in diesem Ausführungsbeispiel die Charakteristika
zwischen den piezoelektrischen Elementen 16a und 16b bestens
ausgeglichen.
Die zwei piezoelektrischen Elemente 16a und 16b mit dem
festen Widerstand 302 werden entweder als Treiber oder
Detektoren verwendet und das andere piezoelektrische Element
für das jeweils andere als Treiber oder Detektor. Wenn ein
Treibersignal an die Anschlüsse 300a und 300b oder die
piezoelektrischen Elemente 16a und 16b angelegt wird, wird
ein stabiles Ausgangssignal von dem piezoelektrischen Element
16c oder dem Anschluß 300c erhalten. Anders herum, wenn das
Treibersignal an den Anschluß 300c des piezoelektrischen
Elementes 16c angelegt wird, werden stabile Ausgangssignale
von den piezoelektrischen Elementen 16a und 16b oder den An
schlüssen 300a und 300b erhalten.
Um den Schwingungserreger 12 in einem Schwingkreisel zu
verwenden, sollte das Treibersignal an das piezoelektrische
Element wie vorbeschrieben angelegt werden, um die
Drehwinkelgeschwindigkeit durch das von dem anderen
piezoelektrischen Element unter diesen Bedingungen
abgegebenen Ausgangssignal zu erhalten. Wird das Aus
gangssignal von den zwei piezoelektrischen Elementen 16a und
16b erhalten, kann die Drehwinkelgeschwindigkeit von deren
Ausgangssignaldifferenz, beispielsweise durch einen
Differentialverstärker, erhalten werden.
In dem in Fig. 48 gezeigten Ausführungsbeispiel weist ein
Schwingkörper 14 die Form eines gleichseitigen vierflächigen
Prismas auf, und auf vier Seitenflächen desselben sind
piezoelektrische Elemente 16a, 16b, 16c und 16d gebildet. Mit
den piezoelektrischen Elementen 16a, 16b, 16c und 16d sind
Anschlüsse 300a, 300b, 300c und 300d verbunden.
Mit zwei benachbarten piezoelektrischen Elementen 16a und 16b
werden die entgegengesetzten Enden 302a und 302b eines
Festwiderstandes 302 verbunden, um den
Charakteristikaausgleich dazwischen zu verbessern. Somit
werden durch den festen Widerstand 302 die Charakteristika
zwischen den piezoelektrischen Elementen 16a und 16b gut
ausgeglichen.
Entsprechend werden mit den anderen benachbarten
piezoelektrischen Elementen 16c und 16d die entgegenliegenden
Enden 304a und 304b eines weiteren Festwiderstandes 304
verbunden, und der Charakteristikaausgleich zwischen den
piezoelektrischen Elementen 16c und 16d wird durch diesen
Festwiderstand 304 verbessert.
Bei dem Schwingungserreger 12 werden die zwei
piezoelektrischen Elemente 16a und 16b, die den
Festwiderstand 302 aufweisen, entweder als Treiber oder als
Detektoren verwendet, und die piezoelektrischen Elemente 16c
und 16d, die den anderen Festwiderstand 304 aufweisen, werden
jeweils für das andere als Treiber oder Detektoren verwendet.
Wenn ein Treibersignal an die piezoelektrischen Elemente 16a
und 16b angelegt wird, werden stabile Ausgangssignale von den
piezoelektrischen Elementen 16c und 16d ausgegeben, und
umgekehrt, wenn das Treibersignal an die piezoelektrischen
Elemente 16c und 16d angelegt wird, werden stabile
Ausgangssignale von den piezoelektrischen Elementen 16a und
16b erhalten. Entsprechend kann der Schwingungserreger 12
vorteilhaft in einer Vorrichtung verwendet werden, die feine
Schwingungen des Schwingungserregers verwendet, wie
beispielsweise einen Schwingkreisel.
In dem in Fig. 49 gezeigten Ausführungsbeispiel weist ein
Schwingkörper 14 die Form eines gleichseitigen achtflächigen
Prismas auf, und an drei Seitenflächen desselben, die nicht
benachbart sind, sind piezoelektrische Elemente 16a bis 16c
gebildet. Mit den piezoelektrischen Elementen 16a bis 16c
sind Anschlüsse 300a bis 300c verbunden. Mit den
piezoelektrischen Elementen 16a und 16b sind die
gegenüberliegenden Enden 302a und 302b eines Festwiderstandes
302 verbunden. Genau wie in dem in Fig. 47 gezeigten Aus
führungsbeispiel werden die zwei piezoelektrischen Elemente
16a und 16b entweder als Treiber oder Detektoren verwendet,
und daß andere piezoelektrische Element 16c für das jeweils
andere als Treiber oder Detektor. Da der Charakteristika
ausgleich zwischen den zwei piezoelektrischen Elementen 16a
und 16b verbessert ist, kann dieses Ausführungsbeispiel in
vorteilhafter Weise in einer Vorrichtung wie einem
Schwingkreisel verwendet werden.
Obwohl in den in Fig. 47 bis 49 gezeigten
Ausführungsbeispielen der Schwingkörper 14 eine gleichseitige
dreiflächige, eine gleichseitige vierflächige oder eine
gleichseitige achtflächige Prismaform hat, kann es auch die
Form eines gleichschenkligen dreiflächigen Prismas haben. In
diesem Fall wird der Widerstand mit den piezoelektrischen
Elementen verbunden, die auf den zwei identischen
Seitenflächen des Schwingkörpers 14 angeordnet sind, und
diese piezoelektrischen Elemente können entweder als Treiber
oder als Detektoren verwendet werden. Der Schwingkörper 14
kann auch die Form eines vielseitigen Prismas haben. In
diesem Fall sollten piezoelektrische Elemente wenigstens auf
drei Seitenflächen des Schwingkörpers gebildet werden. Ein
Widerstand kann zwischen den zwei piezoelektrischen Elementen
angeordnet werden, die entweder als Treiber oder als
Detektoren verwendet werden, und das andere piezoelektrische
Element kann für das jeweils andere als Treiber oder Detektor
verwendet werden. Durch den Widerstand wird bei dieser
Anordnung der Charakteristikaausgleich zwischen den zwei pie
zoelektrischen Elementen verbessert. Weiterhin weist ein
derartiger Schwingungserreger stabile Charakteristika auf
ohne von der Streuung der elektrostatischen Kapazitäswerte
der zwei piezoelektrischen Elemente, die als Treiber oder
Detektoren verwendet werden, und den damit verbundenen
Resonanzfrequenz-Verschiebungen beeinflußt zu sein.
Der Schwingungserreger ist in vorteilhafter Weise in einer
Vorrichtung zu verwenden, die feine Schwingungen des
Schwingungserregers verwendet, wie beispielsweise einem
Schwingkreisel. Beispielsweise kann eine Drehwinkelge
schwindigkeit exakt gemessen werden, wenn der
Schwingungserreger in einem Schwingkreisel verwendet wird.