DE4210117A1 - Winkelgeschwindigkeitssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor (bzw. auf einen Winkelbetragssensor), und insbesondere auf einen vibrierenden Gyro-Winkelgeschwindigkeitssensor, der zur Bewegungssteuerung der Arme eines Roboters oder zur Verwendung in einem Navigationssystem ge­ eignet ist, das auf einem Fahrzeug oder dergleichen montiert ist.

Die meisten bekannten Winkelgeschwindigkeitssensoren sind in Naviga­ tionssysteme eingebaut und werden in dem relativ engen Bereich der Schiffahrt, der Luftfahrt und ähnlichem verwendet. Beim Navigations­ system kann die aktuelle Position durch Integrieren der Ausgangssignale eines Winkelbeschleunigungssensors und eines Beschleunigungssensors ermittelt werden, um Azimuth und Bewegungsabstand zu ermitteln. Da sich der Ausgabefehler des Winkelgeschwindigkeitssensors akkumuliert, wie klein er auch immer sein mag, ist seit langem gefordert worden, einen Winkelgeschwindigkeitssensor hoher Präzision zu entwickeln. Um den Winkelbeschleunigungssensor im Bereich eines in einem Fahrzeug montierten Navigationssystem oder als Steuergerät zur Steuerung der Bewegung der Arme eines Roboters und dergleichen anzuwenden, wurde in den letzten Jahren dringend gefordert, daß der Winkelgeschwindigkeits­ sensor zusätzlich zur hohen Präzision leicht, kompakt, billig und bequem zu handhaben sei.

Was den Einsatz von Kreiseln im Winkelbeschleunigungssensor anbetrifft, sind verschiedene Kreiseltypen auf der Basis verschiedener Prinzipien entwickelt worden, wobei jedoch Vibrationskreisel und Gabelkreisel wegen ihrer hohen Empfindlichkeit besondere Aufmerksamkeit hervorgerufen haben. Der Vibrationskreisel ist beispielsweise im US-Patent No. 50 14 554 offenbart.

Der Vibrationskreisel benutzt die Erscheinung, daß die Coriolis-Kraft auf einen vibrierenden Körper in eine Richtung einwirkt, die senkrecht zur Vibrationsrichtung desselben steht, wenn dem vibrierenden Körper eine Umdrehungswinkelgeschwindigkeit erteilt wird. Als vibrierender Gegen­ stand wird allgemein ein piezoelektrischer Vibrator mit steuernden piezo­ elektrischen Elementen benutzt, die aneinander bondiert (Zweielementen­ struktur) und am vibrierenden Gegenstand befestigt sind. Der piezo­ elektrische Vibrator schwingt in einer voreingestellten Richtung, wenn eine zyklische Spannung an die piezoelektrischen Elemente angelegt wird. Die Auslenkung des Vibrators in Richtung senkrecht zur Vibrations­ richtung wird durch ein piezoelektrisches Fühlerelement erfaßt und als Winkelgeschwindigkeitssignal ausgegeben. Der den genannten Vibrations­ kreisel verwendende Winkelgeschwindigkeitssensor besitzt verschiedene Vorteile. Gleichzeitig ist es aber schwierig, den Winkelgeschwindigkeits­ sensor so zu bauen, daß er bei niedrigen Kosten sehr präzise ist, näm­ lich wegen der Temperaturänderungen und der Hystereseeigenschaften der steuernden und fühlenden piezoelektrischen Elemente, sowie wegen des Zustandes, in denen sie am Vibrator befestigt werden.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht hauptsächlich in der Schaf­ fung eines Winkelgeschwindigkeitssensors, der die Winkelgeschwindigkeit stabil und mit hoher Empfindlichkeit erfassen kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Winkelgeschwindigkeits­ sensors, der im Aufbau einfach, kompakt und billig ist.

Um diese Ziele zu erreichen, weist der Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung folgende Komponenten auf: einen stabförmigen Schaft mit einem spezifizierten Abschnitt, der auf einem Gehäuse abgestutzt ist; Erregereinrichtungen zum Vibrieren des Schaftes in X-Richtung, wobei die Richtung der Längsachse des Schaftes in der Z-Richtung eines rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystems gelegt ist; Auslenkungserfassungseinrichtungen zum Erfassen der Auslenkung des Schaftes in Y-Richtung; und Betriebsmittel zum Herleiten der Winkelge­ schwindigkeit auf der Basis eines von den Auslenkungserfassungsmitteln gelieferten Ausgangssignals; wobei die Auslenkungserfassungsmittel eine Hauptskala, die auf dem Schaft befestigt ist, eine Indexskala die auf dem Gehäuse befestigt ist und der Hauptskala gegenüberliegt, ein licht­ aussendendes Element zum Aussenden von Licht, das auf die Hauptskala gerichtet ist, und Lichtsensoren zur Erfassung von Licht, das durch die Hauptskala reflektiert und durch die Indexskala vor oder nach der Reflektion auf der Hauptskala hindurchgeleitet wird, aufweisen.

Bei der obigen Konstruktion wird der Schaft zwangsweise durch die Erregungseinrichtungen mit konstanter Frequenz in der X-Richtung in Vibrationsschwingungen versetzt. In diesem Falle wird, wenn der Schaft mit einer Winkelgeschwindigkeit ω bewegt wird, die Coriolis-Kraft F_c entsprechend der Winkelgeschwindigkeit ω in X-Richtung erzeugt und läßt den Schaft ebenfalls in der Y-Richtung vibrieren. Dann kann ein der Winkelgeschwindigkeit ω entsprechendes Signal durch Erfassen der Aus­ lenkung des Schaftes in Y-Richtung durch Auslenkungserfassungseinrich­ tungen abgeleitet und ausgegeben werden. Da beim Winkelgeschwin­ digkeitssensor der vorliegenden Erfindung optische Mittel in den Aus­ lenkungserfassungseinrichtungen benutzt werden, wird der Winkelgeschwin­ digkeitssensor im Vergleich zu Sensoren, bei denen piezoelektrische Elemente benutzt werden, durch Temperaturänderungen weniger stark beeinflußt, so daß die Auslenkung mit höherer Genauigkeit erfaßt werden kann.

Die Erfindung, ihre Ziele und Vorteile gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor.

Zunächst soll der wesentliche Gegenstand der Figuren beschrieben werden.

Fig. 1 stellt eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Gerätes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 2 und 3 stellen Diagramme zur Veranschaulichung des Prinzips der Winkelgeschwindigkeitsmessung im Gerät der Fig. 1 dar;

Fig. 4 und 5 stellen Diagramme zur Veranschaulichung der Vibrations­ steuerung im Gerät der Fig. 1 dar;

Fig. 6 stellt ein Diagramm dar, das die im Gerät der Fig. 1 ver­ wendeten Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtungen zeigt;

Fig. 7 stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Einflusses von Niederfrequenzstörungen auf das Gerät der Fig. 1 dar;

Fig. 8-12 stellen schematische Ansichten zur Veranschaulichung des Aufbaus der in das Gerät der Fig. 1 eingebauten Auslen­ kungserfassungseinrichtungen dar;

Fig. 13 stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels von Signalen dar, die an die Erregungseinrichtungen des Gerätes der Fig. 1 geliefert werden, und sie veranschaulicht das zugehörige Prinzip;

Fig. 14 stellt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung von Vibratoren dar, die im Gerät der Fig. 1 verwendet werden können;

Fig. 15 stellt eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 16 stellt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung des Vibrationsvorganges im Gerät der Fig. 15 dar;

Fig. 17 stellt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung von Vibratoren dar, die im Gerät der Fig. 15 verwendet werden können;

Fig. 18 stellt eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 19 stellt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Vibration beim Gerät der Fig. 18 dar;

Fig. 20 stellt eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 21 und 22 stellen schematische Ansichten zur Veranschaulichung des Vibrationsvorganges im Gerät der Fig. 20 dar;

Fig. 23 stellt eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel eines im Gerät der Fig. 21 verwendeten Magneten dar;

Fig. 24 stellt eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 25 stellt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung des Vibrationsvorganges im Gerät der Fig. 24 dar;

Fig. 26 stellt eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar; und

Fig. 27 stellt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung des Vibrationsvorganges im Gerät der Fig. 26 dar.

Nachfolgend werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Fig. 1(A) stellt eine seitliche Schnittansicht eines Hauptabschnittes eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der vorliegenden Erfindung dar, während Fig. 1(B) eine vordere Schnittansicht des Sensors darstellt. Der in den Fig. 1(A) und 1(B) dargestellte Winkelgeschwindigkeitssensor 10 weist ein rechteckiges rohrförmiges Gehäuse 19, einen Bodendeckel 12 für das Gehäuse 19, einen Schaft 14, der auf und senkrecht zum Boden­ deckel 12 angeordnet ist und als Vibrator dient, und Erregereinrichtun­ gen 16 zum Vibrieren des Schaftes 14 auf. Auf dem Mittelabschnitt eines oberen Deckels 21 des Gehäuses 19 ist ein feststehender Skalen­ abschnitt 18 montiert, der Bestandteil der Auslenkungserfassungseinrich­ tungen ist und die Funktion eines lichtelektrischen Kodierers ausübt. Der runde, stangenförmige Schaft 14 ist so ausgebildet, daß seine Reso­ nanzfrequenzen in X- und Y-Richtungen im wesentlichen übereinstimmen. Auf dem Schaft 14 ist ein hohler zylindrischer Körper 20 aus ferroma­ gnetischem Material befestigt, wobei der freie Endabschnitt des Schaftes in den zylindrischen Körper 20 eingefügt ist, während ein beweglicher Skalenabschnitt 22 als Bestandteil der Auslenkungserfassungseinrichtungen auf der oberen Endfläche des Schaftes 14 montiert ist. Die Erreger­ einrichtungen 16 umfassen einen säulenförmigen Kern 24 und eine Erregerspule 26, die um einen auf dem Kern sitzenden Spulenkörper 25 gewickelt und am Gehäuse 19 mit einer eingefügten Buchse 28 befestigt ist. Ein Ende des Kerns 24 ist nahe an die Umfangsoberfläche des zylindrischen Körpers 20 herangebracht.

Fig. 2 stellt eine Draufsicht auf den Hauptabschnitt des Gerätes der Fig. 1 dar und zeigt, daß die Achse des Schaftes 14 in der Z-Achse des rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystems plaziert ist, und daß die den Schaft 14 unter einem rechten Winkel kreuzende Achse des Kerns 24 in der X-Achse plaziert ist.

Die Fig. 3(A) bis 3(E) stellen schematische Diagramme zur Veranschauli­ chung des Prinzips der im Gerät der Fig. 1 und 2 durchgeführten Win­ kelgeschwindigkeitserfassung dar. Gemäß Fig. 3(A) wird, wenn ein Impulsstrom konstanter Frequenz zur Aktivierung der Erregerspule 26 angelegt wird, der obere Endabschnitt des Schaftes 14 zwangsweise in X-Richtung in Schwingung versetzt, wie Fig. 3(B) zeigt. Die Vibration erfolgt vorzugsweise mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz f des Schaftes 14 entspricht. Zu diesem Zweck wird die Impulswiederholungs­ periode geändert und auf die Impulsbreite und Impulshöhe des an die Erregerspule 26 angelegten Aktivierungspulses abgestimmt, und dann derart auf konstanten Werten gehalten, daß die Vibrationsamplitude (also auch die in Fig. 3(C) dargestellte Vibrationsgeschwindigkeit V_x) des Schaftes 14 ein Maximum wird. Wenn dies der Fall ist, wird dem Schaft 14 eine Winkelgeschwindigkeit erteilt, so daß die Coriolis-Kraft F_c, die proportional zu der so erteilten Winkelgeschwindigkeit variiert, gemäß Fig. 3(D) in Y-Achsenrichtung erzeugt wird. Wenn die Resonanzfrequen­ zen f des Vibrators 14 in Richtung der X-Achse und der Y-Achse einander gleich sind, schwingt der Schaft 14 auch in der Y-Achsenrich­ tung.

Als nächstes wird die Winkelgeschwindigkeit des Schaftes auf eine vorher bekannte Winkelgeschwindigkeit ω_a eingestellt, und die Impulsbreite (oder in anderen Fällen die Impulshöhe) wird fein auf die Impulsperiode des auf einem konstanten Wert gehaltenen Aktivierungsimpulses abgestimmt, wobei die Schwingung der Vibrationsamplitude des Schaftes 14 in Y-Achsenrichtung überwacht wird, derart daß der Maximalwert der Am­ plitude (und daher der in Fig. 3(C) dargestellten Vibrationsgeschwin­ digkeit) des Schaftes 14 in Y-Achsenrichtung, gemäß Fig. 3(E), innerhalb eines vorbestimmten Bereiches eingestellt wird.

Fig. 4 ist ein Diagramm das zeigt, welchen Platz der Schaft 14 in der XY-Ebene einnimmt, wenn ihm eine Winkelgeschwindigkeit ω erteilt wird. Die Winkelgeschwindigkeit ω verändert sich proportional zur maximalen Geschwindigkeit V_y in Y-Achsenrichtung oder zur Geschwin­ digkeit in Y-Achsenrichtung bei einer auf "0" eingestellten Schwingungsamplitude. Weiter ist die maximale Geschwindigkeit V_y auch zur maximalen Geschwindigkeit V_x in der X-Achsenrichtung proportional. Daher ist die Winkelgeschwindigkeit ω nur proportional zu V_y, wenn V_x auf einen konstanten Wert geregelt wird. Der Abstand X des freien Endes des Schaftes 14 vom Koordinatenursprungspunkt sowie die Geschwindigkeit V_x können jeweils, wie nachfolgend dargestellt, formuliert werden, wobei die maximale Schwingungsamplitude mit P_x, die Frequenz mit f und die Zeit mit t bezeichnet wird:

X = P_x · sin 2 πf · t

V_x = dX/dt = 2 πf · P_x · cos 2 πf · t

Wie aus den obigen Gleichungen klar hervorgeht, wird die maximale Geschwindigkeit V_x auf V_x = 2 π · P_x eingestellt, wenn

cos 2 fπ · t = 1 oder -1

ist. Da die Frequenz f konstant ist, braucht nur die Schwingungsamplitude P_x auf einen konstanten Wert geregelt zu werden.

Beim Winkelgeschwindigkeitssensor der Fig. 1 ist es nicht erforderlich, die Auslenkung des Schaftes 14 in X-Richtung zu messen und den Erregungsimpuls abzustimmen, wenn der Schaft 14 sehr genau hergestellt ist und die Differenz zwischen dem aktuellen Wert der Resonanzfrequenz des Schaftes und dem theoretischen Wert derselben innerhalb des vor­ eingestellten Bereiches unabhängig von Temperaturveränderungen einge­ stellt werden kann. Um jedoch eine hohe Präzision zu erreichen, sind Steuereinrichtungen zum Messen der Auslenkung des Schaftes 14 in X-Richtung und zum Aufrechterhalten der Vibration in X-Richtung auf einem konstanten Wert erforderlich.

Fig. 5 stellt ein schematisches Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Struktur der Vibrationssteuereinrichtungen 30 dar, die die Funktion der Aufrechterhaltung der Schwingungsamplitude P_x auf konstantem Wert haben. Die Vibrationssteuereinrichtungen 30 weisen einen D/A-Umsetzer 32, eine Signalverarbeitungsschaltung 34, einen Impulsbreitenmodulator 35 und einen Oszillator 38 auf. Die Schwingungsamplitude des Schaftes 14 in X-Richtung, die von einem X-Achsenkodierer 18a erfaßt wird, der die Auslenkungserfassungseinrichtung bildet, wird durch den D/A-Umsetzer 32 in ein Analogsignal umgewandelt und mit einem Zielamplitudenwert verglichen, der von einem Bezugssignalgenerator 40 in der Betriebsschal­ tung 34 ausgegeben wird. Das Vergleichsergebnis wird in den Impuls­ breitenmodulator 36 zur Steuerung der Impulsbreite eines Aktivierungs­ impulses eingegeben, der an die Erregerspule 26 geliefert wird, derart, daß die Impulsbreite vergrößert wird, wenn der aktuelle Meßwert klein wird, während die Impulsbreite verringert wird, wenn der aktuelle Meß­ wert groß ist. Die Schwingungsfrequenz des Impulsbreitenmodulators 36 wird durch einen Oszillator 38 gesteuert und auf einer konstanten Fre­ quenz gehalten (Resonanzfrequenz). Damit ist eine Rückkoppelungs­ schleife gebildet, die den Zielamplitudenwert und den tatsächlichen Meßwert in Übereinstimmung bringt.

Fig. 6 stellt ein schematisches Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Struktur einer Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung 50 dar, die zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit auf der Basis der Schwin­ gungsamplitude des Schaftes 14 in Y-Richtung dient, wobei die Am­ plitude durch einen X-Achsenkodierer 18b erfaßt wird, der die Auslen­ kungserfassungseinrichtung bildet. Die durch den die Auslenkungserfas­ sungseinrichtung bildenden Y-Achsenkodierer 18b erfaßte Schwingungs­ amplitude des Schaftes 14 in Y-Richtung wird durch den D/A-Umsetzer 32 in ein Analogsignal umgewandelt und dann mit einem fest eingestell­ ten Multiplizierer A in einer Rechenschaltung 54 multipliziert. Da die Winkelgeschwindigkeit ω der Schwingungsamplitude in Y-Richtnng propor­ tional ist, kann die Ausgabe der Rechenschaltung 54 durch Korrigieren oder Eichen des fest eingestellten Multiplizierers A unter Heranziehung einer vorher bekannten Winkelgeschwindigkeit so gesteuert werden, daß sie exakt mit der Winkelgeschwindigkeit übereinstimmt.

Da bei der vorliegenden Erfindung die Winkelgeschwindigkeit π durch Erfassen der Schwingungsamplitude in Y-Achsenrichtung gemessen wird, können Einflüsse, die durch das Eindringen von Niederfrequenzstörungen verursacht werden, auf ein Minimum reduziert werden, wie Fig. 7 zeigt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Winkelgeschwindigkeitsberech­ nungseinrichtung 50 der Fig. 6 empfängt die Rechenschaltung 54 das Signal des X-Achsenkodierers 18a zusammen mit dem Signal des Y- Achsenkodierers 18b, um die Winkelgeschwindigkeit ω zu berechnen. Durch Einbau dieser Art von Winkelgeschwindigkeitsberechnungsein­ richtung ist es möglich, die Vibrationssteuermittel im Winkelgeschwindig­ keitssensor wegzulassen.

Fig. 8 stellt die Schnittansicht eines Beispiels eines Auslenkungssensors dar, der die Funktion eines in das Gerät der Fig. 1 eingebauten licht­ elektrischen Kodierers besitzt, während Fig. 9 eine Draufsicht auf den Sensor in Höhe der entlang der Linie IX-IX der Fig. 8 verlaufenden Ebene darstellt.

Die Auslenkungserfassungseinrichtung weist einen auf dem freien End­ abschnitt des Schaftes 14 montierten beweglichen Skalenabschnitt 22, einen auf dem oberen Deckel 21 montierten festen Skalenabschnitt 18, und eine Signalverarbeitungsschaltung (nicht dargestellt) auf, und dient zur Erfassung des relativen Bewegungsabstandes zwischen den beiden Skalenabschnitten. Ein einzelnes lichtaussendendes Element 62 und acht lichtaussendende Elemente 64 sind auf dem oberen Abschnitt des fest­ stehenden Skalenabschnittes 18 angeordnet und über Klemmen auf einer Druckschaltungsplatine 66 befestigt. In der Mitte des feststehenden Skalenabschnittes 18 ist eine erste Indexskala mit vier dreieckigen Trans­ missionsgittern 76a, 76b, 76c und 76d angeordnet, wie Fig. 11 zeigt, von denen die XY-Ebene dargestellt ist und die Gitterrichtung jedes Gitters in X- oder Y-Richtung verläuft, wie Fig. 11 zeigt. Weiter ist gemäß Fig. 11 eine zweite Indexskala 75 mit acht rechteckigen Transmissionsgittern 74a, 74b, . . . und 74h um die erste Indexskala 72 herum angeordnet. Die acht lichtempfangenden Elemente 64a, 64b, . . . und 64h sind zum Aufnehmen nur desjenigen Lichtes angebracht, das durch die jeweiligen acht Gitter 74a, 74b, . . . und 74h, welche die zweite Indexskala 75 bilden, hindurchgetreten ist. Der bewegliche Skalenabschnitt 22 besitzt gemäß Fig. 10 eine kreuzförmig ausgebildete Hauptskala 68, von der die XY- Ebene dargestellt ist. Die Hauptskala 68 umfaßt zwei fünfseitige Reflek­ tionsgitter 70c und 70d, deren Gitterrichtung parallel zur X-Achse ver­ läuft.

Bei der beschriebenen Struktur tritt Licht L, das vom lichtaussendenden Element 62 ausgestrahlt wird, durch die Gitter 76a, 76b, 76c und 76d und wird auf der Hauptskala 68 reflektiert. Das von der Hauptskala 68 reflektierte Licht wird von den lichtempfangenden Elementen 64a, 64b, . . . und 64h über die Gitter 74a, 74b, . . . und 74h der zweiten Indexskala 75 empfangen. Die Gitter 76a und 76b der ersten Indexskala, die Gitter 70a und 70b der Hauptskala, die Gitter 74a, 74b, 74c und 74d der zweiten Indexskala, und die lichtempfangenden Elemente 64a, 64b, 64c wirken in X-Richtung als Dreigitter-Verschiebungssensor in bezug auf die relative Bewegung des feststehenden Skalenabschnittes 18 und des be­ weglichen Skalenabschnittes 22. Weiter wirken die Gitter 76c und 76d der ersten Indexskala, die Gitter 70c und 70d der Hauptskala, die Gitter 74e, 74f, 74g und 74h der zweiten Indexskala, und die lichtaufnehmenden Elemente 64e, 64f, 64g und 64h in Y-Richtung als Dreigitter-Verschie­ bungssensor in bezug auf die Relativbewegung zwischen dem feststehen­ den Skalenabschnitt 18 und dem beweglichen Skalenabschnitt 22. Gemäß Fig. 12 erfaßt der Dreigitter-Verschiebungssensor den Verschiebungsbetrag auf der Basis der stellungsmäßigen Beziehung zwischen Dreigitterflächen, wobei das zugundeliegende Prinzip im einzelnen im US-Patent Nr. 50 24 164 erläutert ist.

Der Dreigitter-Verschiebungssensor gemäß Fig. 12 weist folgende Kom­ ponenten auf: eine erste Indexskala 72 und eine zweite Indexskala 75, die parallel zueinander angeordnet sind; eine Hauptskala 68, die zwischen den Indexskalen 72 und 75 und parallel dazu angebracht und so an­ geordnet ist, daß sie relativ zu den Indexskalen bewegt werden kann; ein lichtaussendendes Element 62, das in der Zeichnung links von der ersten Indexskala 72 angeordnet ist; und ein lichtempfangendes Element 64, das in der Zeichnung rechts von der zweiten Indexskala 75 angeordnet ist. Licht, das vom lichtaussendenden Element 62 ausgestrahlt wird, wird an der ersten Indexskala 72, der Hauptskala 68 und der zweiten Indexskala 75 gebeugt und durch das lichtempfangende Element 64 der lichtelek­ trischen Umwandlung unterzogen. Das Ausgangssignal des lichtempfan­ genden Elements 64 wird durch einen Vorverstärker 78 verstärkt und dann als Erfassungssignal S in eine Verarbeitungsschaltung (nicht darge­ stellt) eingegeben.

Wenn die Hauptskala 68 relativ zur ersten und zur zweiten Indexskala 72 und 75 in X-Richtung mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, verändert sich die Menge desjenigen vom lichtaussendenden Element 62 ausgestrahlten Lichtes, das durch die Skalen 72, 68 und 75 unterbrochen worden ist, allmählich, so daß sich das Erfassungssignal S im wesentli­ chen entsprechend einer sinusförmigen Welle verändert. Da die Teilung P₁ der Hauptskala 68 der Wellenlänge P des Erfassungssignals S ent­ spricht, kann der relative Bewegungsabstand der Hauptskala 68 durch Erfassen der Phase des Erfassungssignals S berechnet werden.

Bei der obigen Ausführungsform des Gerätes sind die Gitter 70a und 70b der Hauptskala 68 mit der Teilung P₁ parallel zur Y-Achse angeord­ net, während die Gitter 70c und 70d mit der Teilung P₁′ parallel zur X- Achse angeordnet sind. Die Gitter 76a und 76b der ersten Indexskala 72 sind parallel zur Y-Achse mit der Teilung P₂ angeordnet, während die Gitter 76c und 76d parallel zur X-Achse mit der Teilung P₂′ an­ geordnet sind. Die Gitter 74a, 74b, 74c und 74d der zweiten Indexskala werden jeweils für die Ax-Phase, die Ax′-Phase, die Bx-Phase und die Bx′-Phase benutzt und sind mit der Teilung P₃ entlang der Y-Achse angeordnet. Die Gitter 74e, 74f, 74g und 74h der zweiten Indexskala 75 werden jeweils für die Ay-Phase, die Ay′-Phase, die By-Phase und die By′-Phase verwendet und sind mit der Teilung P₃′ parallel zur X-Achse angeordnet.

Die Gitter sind so angeordnet, daß die Phasendifferenz zwischen den Gittern die nachfolgenden Beziehungen erfüllt:

Wenn Ax = 0°, gilt:
Ax = 180°: unterscheidet sich von Ax um 1/2 P₃.
Bx = 90°: unterscheidet sich von Ax um 1/4 P₃.
Bx′ = 270°: unterscheidet sich von Ax um 3/4 P₃.
Wenn Ay = 0°, gilt:
Ay′ = 180°: unterscheidet sich von Ay um 1/2 P₃′.
By = 90°: unterscheidet sich von Ay um 1/4 P₃′.
By′ = 270°: unterscheidet sich von Ay um 3/4 P₃′.

Mit der obigen Gitteranordnung können Signale der Ax-Phase, der Ax′- Phase, der Bx-Phase und der Bx′-Phase, die voneinander um π/2 ab­ weichen, über die lichtempfangenden Elemente 64a, 64b, 64c und 64d erhalten werden. Die differentialverstärkte Ax-Phasenausgabe kann durch Berechnen der Gleichung: (Ax-Phasensignalamplitude)-(Ax′-Phasensignalam­ plitude) ermittelt werden, während die differentialverstärkte Bx-Phasen­ ausgabe durch Berechnen der Gleichung: (Bx-Phasensignalamplitude)-(Bx′- Phasensignalamplitude) ermittelt werden kann. Die Abweichungsrichtung entlang der X-Achse wird durch Vergleichen des Ax-Phasenausgangs­ signals mit dem Bx-Phasenausgangssignal diskriminiert. Die Verschiebung zwischen den Skalen kann mit hoher Auflösung dadurch erfaßt werden, daß die geringfügige Veränderung des Wertes des Ax-Phasenausgangs­ signals und des Bx-Phasenausgangssignals, oder die geringfügige Abwei­ chung des Ax-Phasenausgangssignals und des Bx-Phasenausgangssignals erfaßt wird.

Weiter können die Signale der Ay-Phase, der Ay′-Phase, der By-Phase und der By′-Phase, die voneinander um π/2 abweichen, über die licht­ empfangenden Elemente 64e, 64f, 64g und 64h erhalten werden, während die Phasendiskrimination und der relative Bewegungsabstand der Skalen 22 und 60 in Y-Richtung in der gleichen Weise erfaßt werden kann wie im Falle der X-Richtung.

Wie oben beschrieben, kann beim Auslenkungssensor dieser Ausführungs­ form die Bewegungsrichtung und der Bewegungsabstand in X- und in Y- Richtung durch Verwendung eines einzelnen Sensors erfaßt werden. Weiter kann der durch Temperaturveränderung verursachte Einfluß im Vergleich zu einem Falle verringert werden, bei dem ein piezoelektri­ sches Element verwendet wird. Es wird also eine höhere Genauigkeit erzielt.

Die obige Ausführungsform der Erfindung kann wie folgt abgeändert werden:

• 1) Es ist vorteilhaft, die Teilungen der Gitter der Sensoren der X- und der Y-Richtung unterschiedlich zu wählen, wenn unterschiedliche Genauigkeiten in der X- und in der Y-Richtung gefordert werden.
• 2) Der Einfluß der Veränderung des atmosphärischen Drucks auf die Vibration des Schaftes 14 kann dadurch unterdrückt werden, daß das Gehäuse als eine hermetisch geschlossene Struktur ausgebildet wird.
• 3) Statt im Gerät der obigen Ausführungsform als Spannung der Erre­ gerspule 26 eine Impulsspannung zu verwenden, kann auch ein in Fig. 13(A) dargestellter sinusförmiger Strom zur Aktivierung der Spule verwendet werden. In diesem Falle wird ein in Fig. 13(B) dargestellter sägezahnförmiger Strom synchron mit dem sinusförmigen Strom erzeugt, wobei die Phasen in den Zeitpunkten t₀, t₂ identifi­ ziert werden, während die Amplitude des in Fig. 13(C) dargestellten Erfassungssignals in den Zeitpunkten t₁, t₃ abgelesen wird.
• 4) Im Gerät der obigen Ausführungsform wird ein säulenförmiger Schaft als Vibrator verwendet, wobei der Schaft beispielsweise einen quadratischen, kreisförmigen oder achteckigen Querschnitt senkrecht zur Z-Achse besitzen kann. Weiter kann der Schaft einen abgestuf­ ten Abschnitt gemäß Fig. 14(A) oder eine sich verjüngende Form besitzen, wie Fig. 14(B) zeigt. Bedingung ist jedoch, daß das Träg­ heitsmoment um die X-Achse des Vibrators, und das Trägheitsmo­ ment um die Y-Achse im wesentlichen gleich groß ist, und daß auch die Resonanzfrequenz des Vibrators in der X-Richtung, und die Resonanzfrequenz des Vibrators in Y-Richtung im wesentlichen gleich groß ist. Um diese Forderung zu erfüllen ist es zweckmäßig, den Querschnitt des Schaftes senkrecht zur Z-Achse symmetrisch zur Z-Achse in solchen Fällen auszubilden, in denen der Schaft selber als Vibrator benutzt wird.
• 5) Bei der obigen Ausführungsform wird der ferromagnetische hohle Zylinderkörper für denjenigen Abschnitt des Schaftes benutzt, der dem Kern 24 gegenübersteht. Statt dessen kann vorzugsweise z. B. auch ein Magnet verwendet werden.
• 6) Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses 19 und des Vibra­ tors 14 sind so bemessen, daß sie einander gleich sind. Dement­ sprechend kann das Auftreten von Meßfehlern aufgrund der Ver­ änderung des Spaltes zwischen der beweglichen Skala 22 und der feststehenden Skala 60 durch Temperaturveränderung unterdrückt werden.

Fig. 15(A) stellt eine seitliche Schnittansicht des Hauptabschnittes des Gerätes gemäß einer weiteren Ausfürungsform der Erfindung dar, während Fig. 15(B) die zugehörige vordere Schnittansicht darstellt. In den Fig. 15(A) und 15(B) bezeichnen die mit den Bezugszeichen der Fig. 1(A) und 1(B) übereinstimmenden Bezugszeichen und Symbole die gleichen Teile wie die in den Fig. 1(A) und 1(B). Das Gerät der Fig. 15 unterscheidet sich erheblich von dem Gerät der Fig. 1, indem das Vibrieren des Schaftes 14 selbst nicht als Vibrator benutzt wird, und daß die Elastizität einer Blattfeder 13 zum Abstützen des Schaftes dient.

Fig. 16(A) stellt eine Draufsicht auf die Blattfeder 13 dar, während Fig. 16(B) eine Seitenansicht der Blattfeder 13 in einem Zustand darstellt, in dem eine Erregungseinrichtung 16 aktiviert ist. Gemäß Fig. 16(A) ist die Blattfeder 13 durch Ausstanzen aus einer dünnen Platte unter Belas­ sung eines X-förmigen Stegabschnittes entstanden, dessen peripherer Teil an der inneren Wandoberfläche des Gehäuses 19 befestigt ist. Ein gekuppelter Körper bestehend aus der Blattfeder 13 und dem auf dem Zentralabschnitt der Blattfeder 13 montierten Schaft 14, d. h., ein Vibrat­ or muß so ausgebildet sein, daß er die Bedingung erfüllt, wonach das Trägheitsmoment um die X-Achse des Vibrators, und das Trägheitsmo­ ment um die Y-Achse desselben im wesentlichen einander gleich sind, und daß die Resonanzfrequenzen F des Vibrators in der X- und der Y- Richtung im wesentlichen einander gleich sind. Wenn die Erregerspule 26 der Erregungseinrichtung 17 während einer voreingestellten Periode aktiviert wird, wird die Blattfeder 13 durch den Schaft 14 durchgebogen, wie das durch die gestrichelten Linien in Fig. 16(B) dargestellt ist, so daß die Blattfeder 13 und der Schaft 14 gemeinsam vibrieren. Wie im Falle des Gerätes der vorherigen Ausführungsform der Fig. 1 erläutert wurde, ist es erforderlich, die Energieversorgungsquelle für die Erreger­ spule 26 so abzustimmen, daß im Betrieb die Vibrationsfrequenz der Resonanzfrequenz f des gekuppelten Körpers entspricht.

Wenn die gleiche Bedingung wie im Falle des Vibrators erfüllt wird, kann eine Blattfeder 80 mit einem kreuzförmigen Stegabschnitt, der sich gemäß Fig. 17(A) in X- und Y-Richtung erstreckt, oder aber eine Blatt­ feder 82 ohne darin eingebrachte Ausschnitte benutzt werden, wie Fig. 17(B) zeigt.

Fig. 18(A) stellt eine seitliche Schnittansicht des Hauptabschnittes eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar, während Fig. 18(B) dazu die vordere Schnittansicht zeigt. Das Gerät der Fig. 18 unterscheidet sich vom Gerät der Fig. 15 dadurch, daß der periphere Abschnitt der Blattfeder 13 entlang der Mitte der Innenwand des Gehäuses 19 befestigt ist, und daß die Blattfeder 13 den Schaft 14 im wesentlich im Mittelabschnitt der Feder trägt. Weiter sind ein hohler zylindrischer Körper 20′ und ein beweglicher Skalenabschnitt 22′, die die gleiche Struktur wie der auf dem oberen Ende des Schaftes 14 montierte zylindrische Körper 20 und der bewegliche Skalenabschnitt 22 besitzen, auf dem unteren Ende des Schaftes 14 montiert, während ein feststehen­ der Skalenabschnitt 18′, der die gleiche Struktur wie der feststehende Skalenabschnitt 18 auf dem oberen Deckel 21 besitzt, auf dem Boden­ deckel 12 montiert ist. Mit dieser Konstruktion können Auslenkungen der entgegengesetzten Enden des Schaftes 14 in der XY-Ebene gleichzei­ tig erfaßt und gemessen werden.

Fig. 19 ist eine von der Seite her gesehene schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Bewegung des gekoppelten Körpers aus Blattfeder 13 und Schaft 14, die im Falle der Aktivierung bzw. Energieversorgung der Erregungseinrichtung 16 verursacht wird. Die Blattfeder 13 wird ent­ sprechend den in der Zeichnung dargestellten gestrichelten Linien durch­ gebogen und der Schaft 14 vibriert mit Resonanzfrequenz. Entsprechen­ de Störungskomponenten der Beschleunigung und der Zentrifugalkraft greifen in gleicher Stärke an den entgegengesetzten Enden des Schaftes 14 an, wie es beispielsweise durch die Pfeile F_x in der Zeichnung darge­ stellt ist. Sie heben sich daher einander auf, so daß ein durch sie verursachter Fehler der Winkelgeschwindigkeitsmessung unterdrückt wird. Da weiter die Auslenkungen an den entgegengesetzten Enden des Schaf­ tes 14 erfaßt werden können, kann die Auslenkung mit großer Amplitude und hoher Auflösung durch Kombinieren der Signale gemessen werden.

Fig. 20(A) stellt eine seitliche Schnittansicht des Hauptabschnittes eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar, während Fig. 20(B) dazu die vordere Schnittansicht zeigt. Das Gerät der Fig. 20 unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 dadurch, daß die Konstruktion der Erregungseinrichtung symmetrisch zur Z-Achse angeordnet ist. Eine an der rechten Seite des Gehäuses angebrachte Erregungseinrichtung 90R besteht aus einer Luftspule mit einem nicht­ magnetischen Spulenkörper 92 und einer Erregerspule 94R, während eine an der linken Seite des Gehäuses befestigte Erregungseinrichtung 90L aus einer Luftspule mit einem nichtmagnetischen Spulenkörper 92 und einer Erregerwicklung 94L besteht. Fig. 21 stellt eine schematische Draufsicht dar, die entsteht, wenn der Blick von oben auf einen Magneten 96 am Schaft 14 und eine Erregungseinrichtung gerichtet wird. Der hohle zylindrische Magnet 96 ist auf dem Schaft 14 unter Ausfluchtung seiner Mittelachse mit der Achse des Schaftes montiert, und die beiden Seiten­ abschnitte des Magneten, die in der Nähe der Erregungseinrichtungen 90R und 90L liegen, werden beide als N-Pol (oder S-Pol) magnetisiert, während der Mittelabschnitt des Magneten als S-Pol (oder N-Pol) ma­ gnetisiert ist. In diesem Falle kann der Magnet und dementsprechend der Schaft 14 in X-Achsenrichtung dadurch in Vibration versetzt werden, daß die bei gleichzeitiger Aktivierung der beiden Erregungseinrichtungen in X-Achsenrichtung erzeugten magnetischen Flüsse in gleicher Richtung verlaufen. Es ist auch möglich, die beiden Seitenabschnitte des Magne­ ten 96, die in der Nähe der Erregungseinrichtungen 90R und 90L liegen, jeweils als N- und S-Pole zu magnetisieren. In diesem Falle kann der Schaft 14 in X-Achsenrichtung in Vibration versetzt werden, wenn die bei gleichzeitiger Aktivierung der beiden Erregungseinrichtungen in X- Achsenrichtung erzeugten magnetischen Flüsse in entgegengesetzten Richtungen verlaufen.

Fig. 22(A) zeigt ein Beispiel der Wellenform eines an die Erregerspulen 94R und 94L angelegten Aktivierungsimpulses. Wenn die Aktivierung bzw. Stromzufuhr zweimal innerhalb einer Periode T entsprechend der Resonanzfrequenz f des Schaftes 14 erfolgt, muß die Richtung der durch die Erregerspulen fließenden Ströme abwechselnd geändert werden. Die Fig. 22(B) und 22(C) zeigen weitere Beispiele der Wellenform eines an die Erregerspulen 94R und 94L angelegten Aktivierungsimpulses, wobei die Erregerspulen 94R und 94L abwechselnd während einer Periode T unter Strom gesetzt werden. Die Wellenform des Erregerimpulses kann unterschiedlich geändert werden, und zwar entsprechend einem Verfah­ rensunterschied beim Anschließen der Eingangs- und Ausgangsklemmen der Erregerspulen.

Der Magnet 96 kann eine Formgebung wie die in den Fig. 23(A), 23(B) und 23(C) dargestellte besitzen, sofern die Resonanzfrequenzen des Ge­ häuses in X- und Y-Achsenrichtung gleich eingestellt sind, wobei der Magnet 96 auf dem im Gehäuse 19 montiert ist.

Fig. 24(A) stellt eine seitliche Schnittansicht des Hauptabschnittes eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar, während 24(B) dazu die vordere Schnittansicht liefert. Beim Gerät der Fig. 24 ist ein Gehäuse 100 in hohler, zylindrischer Form mit kreisförmi­ gem Querschnitt ausgebildet (das Gehäuse 19 des Gerätes der vorigen Ausbildungsform besitzt eine rohrförmige Gestalt mit rechteckigem Quer­ schnitt). Eine Erregerwicklung 104 und ein Spulenkörper 106 für die Erregerwicklung 104, die eine Erregungseinrichtung 102 bilden, sind an der Innenwand des Gehäuses befestigt, wobei die Mittelachsen derselben mit der Mittelachse des Gehäuses 100 in einer Flucht liegen. Die Struktur ist im Vergleich zum Gerät der vorliegenden Ausführungsform im Falle der Miniaturisierung vorzuziehen. Ein Magnetpolelement 108 aus ferromagnetischem Material (kein Magnet) ist auf einem in X-Ach­ senrichtung liegenden Teil des Gehäuses montiert. Entsprechend ist ein Kern 110 aus ferromagnetischem Material (kein Magnet) auf dem freien Ende des Schaftes 14 befestigt. Fig. 25 stellt eine Draufsicht auf den Hauptabschnitt in der Nähe des oberen Abschnittes des Schaftes 14 dar. Gemäß Fig. 25 besitzt der Kern 110 Zylinderform mit einem Flansch­ abschnitt, doch kann der Flanschabschnitt auch achteckige oder quadrati­ sche Form besitzen.

Beim Gerät der Fig. 24 wird, wenn die Erregerspule 104 aktiviert wird, der magnetische Fluß mit einer zur Z-Achse symmetrischen Dichtever­ teilung erzeugt, wenn das Magnetpolelement 108 nicht vorhanden ist. Da aber das Magnetpolelement 108 tatsächlich vorhanden ist, steigt die magnetische Flußdichte in der Nähe des Magnetpolelementes 108 stark an, so daß der Kern 110 aus ferromagnetischem Material in Rich­ tung auf das Magnetpolelement 108 gezogen wird. Die Folge ist, daß wie bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung der Schaft 14 durch Anlegen eines periodischen Aktivierungsimpulses die Erregerspule 104 in Schwingung versetzt wird. Es ist auch möglich, die Erregungsein­ richtung an einer Stelle in der Nähe des unteren Endabschnittes der Bodendeckelplatte 12 anzuordnen, statt in der Position nahe beim oberen Endabschnitt des Schaftes.

Fig. 26(A) stellt eine seitliche Schnittansicht des Hauptabschnittes eines Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar, während Fig. 26(B) dazu die vordere Seitenansicht wiedergibt und Fig. 26(C) eine Schnittansicht entlang der Linie C-C der Fig. 26(B) darstellt. Auch beim Gerät der Fig. 26 besitzt das Gehäuse 100 eine hohle, zylindrische Form mit kreisförmigem Querschnitt, während eine Erreger­ spule 104 und ein Spulenkörper 106 für die Erregerspule 104, die zu­ sammen eine Erregungseinrichtung 102 bilden, an der Innenwand des Gehäuses 100 befestigt sind, wobei die Mittelachsen mit der Mittelachse des Gehäuses 100 in einer Flucht liegen. Am freien Endabschnitt des Schaftes 14 ist ein hohler, zylindrischer Magnet 112 angebracht, dessen Position achsgleich mit der Mitte der Luftspule angeordnet ist. Der rechte und der linke Abschnitt des Magneten 112 ist jeweils relativ zur Y-Achse als N-Pol (S-Pol) und als S-Pol (N-Pol) magnetisiert, wie Fig. 26(C) zeigt. Der Magnet 112 braucht nicht unbedingt zylindrisch zu sein, falls er symmetrisch zur Z-Achse ausgebildet ist.

Fig. 27 stellt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung des Vibrationsprinzips des Gerätes der Fig. 26 dar. Wenn die Erregerspule 104 aktiviert wird, wird parallel zur Z-Achse ein Magnetfeld erzeugt; und wenn Intensität und Richtung des Magnetfeldes entsprechend dem Pfeil H verlaufen, wie Fig. 27 zeigt, greifen Kräfte -Fm und +Fm am rechten und linken Abschnitt des Magneten an. Wenn dann der Abstand des Antriebspunktes der Kraft Fm zur Mittelachse (Z-Achse) des Schaftes 14 die Größe 1 besitzt, entspricht das am Schaft 14 angreifende Biegemo­ ment M der Formel M=2 Fm×1. Da der Schaft 14 durch das Biegemoment in Richtung nach rechts bewegt wird, kann der Schaft 14 mit Resonanzfrequenz in der X-Achsenrichtung vibrieren, wie dies unter Bezugnahme auf das Gerät der vorigen Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, nämlich durch Justieren der Periode und Polarität des an die Erregerspule angelegten Erregerimpulses.

Das Gerät der Fig. 27 ist im Vergleich zum Gerät der anderen Aus­ führungsformen im Aufbau einfach, so daß bei der Herstellung und beim Zusammenbau eine hohe Genauigkeit erzielt wird.

Claims (12)

1. Winkelgeschwindigkeitssensor, umfassend:
einen stabförmigen Schaft mit einem spezifizierten Abschnitt, der auf einem Gehäuse abgestützt ist;
Erregereinrichtungen zum Vibrieren des Schaftes in X-Richtung, wobei die Richtung der Längsachse des Schaftes in die Z-Richtung eines rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystems gelegt ist;
Auslenkungserfassungseinrichtungen zum Erfassen der Auslenkung des Schaftes in Y-Richtung; und
Betriebsmittel zum Herleiten der Winkelgeschwindigkeit auf der Basis eines von den Auslenkungserfassungsmitteln gelieferten Aus­ gangssignals;
wobei die Auslenkungserfassungsmittel eine Hauptskala, die auf dem Schaft befestigt ist, eine Indexskala, die auf dem Gehäuse befestigt ist und der Hauptskala gegenüberliegt, ein lichtaussendendes Element zum Aussenden von Licht, das auf die Hauptskala gerichtet ist, und Lichtsensoren zur Erfassung von Licht, das durch die Hauptskala reflektiert und durch die Indexskala vor oder nach der Reflektion auf der Hauptskala hindurchgeleitet wird, aufweisen.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor, umfassend:
einen stabförmigen Schaft mit einem spezifizierten Abschnitt, der auf einem Gehäuse abgestützt ist;
Erregereinrichtungen zum Vibrieren des Schaftes in X-Richtung, wobei die Richtung der Längsachse des Schaftes in die Z-Richtung eines rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystems gelegt ist;
Auslenkungserfassungsmittel zum Erfassen der Auslenkung des Schaf­ tes in der X- und der Y-Richtung; und
Betriebsmittel zum Herleiten der Winkelgeschwindigkeit auf der Basis eines von den Auslenkungserfassungsmitteln gelieferten Aus­ gangssignals;
wobei die Auslenkungserfassungsmittel eine Hauptskala, die auf dem Schaft befestigt ist, eine Indexskala, die auf dem Gehäuse befestigt ist und der Hauptskala gegenüberliegt, ein lichtaussendendes Element zum Aussenden von Licht, das auf die Hauptskala gerichtet ist, und Lichtsensoren zur Erfassung von Licht, das durch die Hauptskala reflektiert und durch die Indexskala vor oder nach der Reflexion auf der Hauptskala hindurchgeleitet wird, aufweisen.

3. Winkelgeschwindigkeitssensor, umfassend:
einen stabförmigen Schaft mit einem spezifizierten Abschnitt, der auf einem Gehäuse abgestützt ist;
Erregereinrichtungen zum Vibrieren des Schaftes in X-Richtung, wobei die Richtung der Längsachse des Schaftes in die Z-Richtung eines rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystems gelegt ist;
Auslenkungserfassungsmittel zum Erfassen der Auslenkung des Schaf­ tes in der X- und der Y-Richtung;
Steuereinrichtungen zum Steuern der Erregereinrichtungen zwecks Aufrechterhaltung eines Ausgangssignals der Auslenkungserfassungs­ einrichtungen, und zum Anzeigen der Auslenkung in X-Richtung; und
Betriebseinrichtungen zum Herleiten einer Winkelgeschwindigkeit des Schaftes auf der Basis des von den Auslenkungserfassungseinrich­ tungen ausgegebenen Signals, sowie zum Anzeigen der Auslenkung in Y-Richtung;
wobei die Auslenkungserfassungseinrichtungen eine Hauptskala, die auf dem Schaft befestigt ist, eine Indexskala, die zur Vorderseite der Hauptskala gerichtet ist, ein lichtaussendendes Element zum Aus­ senden von Licht, das auf die Hauptskala gerichtet ist, und Licht­ sensoren zum Erfassen von Licht aufweisen, das von der Hauptskala reflektiert und durch die Indexskala hindurchgeleitet wird, aufweisen.

4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, bei dem die Index­ skala mehrere Gitter aufweist, von denen jedes jeweils zwischen dem lichtaussendenden Element und der Hauptskala, oder zwischen der Hauptskala und den Lichtsensoren angeordnet ist.

5. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, bei dem ein End­ abschnitt des Schaftes auf dem Gehäuse befestigt ist und die Haupt­ skala auf dem anderen Endabschnitt des Schaftes montiert ist.

6. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, bei dem der Schaft auf dem Gehäuse, mit einem dazwischen eingefügten elastischen Element, befestigt ist.

7. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, bei dem im wesentli­ chen der zentrale Abschnitt des Schaftes auf dem Gehäuse, mit einem dazwischen eingefügten elastischen Element, abgestützt ist.

8. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, bei dem der Quer­ schnitt des Schaftes, der senkrecht zur Z-Achse verläuft, symmetrisch zur Z-Achse liegt.

9. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, bei dem die Erre­ gungseinrichtungen aufweisen: ein auf dem Schaft montiertes ferro­ magnetisches Element oder einen Magneten; Magnetfelderregungsein­ richtungen, die in der Nähe des magnetischen Elementes oder des Magneten auf dem Gehäuse montiert sind; und eine Stromquelle für eine Erregerwicklung der Magnetfelderzeugungseinrichtung.

10. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, bei dem die Erre­ gungseinrichtungen aufweisen: einen säulenförmigen Magneten, der auf dem Schaft so montiert ist, daß seine Mittelachse mit der Achse des Schaftes in einer Flucht liegt, wobei die einander gegenüber­ liegenden Endabschnitte des Magneten in X-Achsenrichtung so magnetisiert sind, daß sie den gleichen magnetischen Pol besitzen; zwei Luftspulen, die auf dem Gehäuse jeweils in der Nähe der einander gegenüberliegenden Endabschnitte des Magneten in X- Achsenrichtung befestigt sind; und eine Erregerleistungsquelle für die Luftspulen.

11. Winkelbeschleunigungssensor nach Anspruch 3, wobei die Erregungs­ einrichtungen aufweisen: einen säulenförmigen oder poligonalen hohlförmigen Magneten, der auf dem Schaft montiert ist, wobei die Mittelachse desselben mit der Achse des Schaftes in einer Flucht liegt, wobei die einander gegenüberliegenden Endabschnitte des Magneten in X-Achsenrichtung so magnetisiert sind, daß sie unter­ schiedliche magnetische Pole besitzen; eine Luftspule, die an der inneren Wandoberfläche des Gehäuses montiert ist und dabei den Magneten umgibt; und eine Erregerleistungsquelle für die Luftspule.

12. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, bei dem die Haupt­ skala und die Indexskala jeweils eine Vielzahl von Gittergruppen aufweisen, deren Gitterrichtungen sich unter rechten Winkeln schnei­ den.