DE4334736A1 - Winkelgeschwindigkeitssensor und Verfahren zum Justieren desselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der mit einem piezoelektrischen Oszillationsgyroskop die Winkelgeschwindigkeit mißt und der zum Messen der Bewegung eines sich bewegenden Körpers, wie ein Fahrzeug, ein Schiff, ein Flugzeug, ein Roboter oder dergleichen, verwendet werden kann. Spezieller betrifft die Erfindung einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der zum Messen der Rotationswinkelgeschwindigkeit zum Steuern der Lage eines Fahrzeugs oder zum Steuern der Räder und zugehöriger Teile eines Fahrzeuges verwendet wird, oder der für ein mit dem Fahrzeug verbundenes Navigationssystem verwendet wird. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Justieren eines Winkelgeschwindigkeitssensors durch Justieren der Ausgangsspannung des Winkelgeschwindigkeitssensors.

Ein herkömmliches stimmgabelgesteuertes Gyroskop, weist, wie in Fig. 21 gezeigt, zwei auf einem Vibrator 310 ausgebildete Vierkantpole sowie piezoelektrische Anregungselemente 320 und piezoelektrische Detektorelemente 330 auf, die in benachbarten Positionen auf in rechtem Winkel aufeinandertreffenden und die gleiche Höhe aufweisenden Flächen angeordnet sind. Zudem sind piezoelektrische Rückkopplungselemente 340 auf dem den piezoelektrischen Anregungselementen 320 gegenüberliegenden Flächen auf den Vierkantpolen des Vibrators 310 angeordnet. Die piezoelektrischen Anregungs- und Detektorelemente 320 und 330, die auf den in einem rechten Winkel aufeinandertreffenden Flächen auf den Vierkantpolen des Vibrators 310 angeordnet sind, helfen die Amplitude des Vibrators 310 zu erhöhen und erhöhen die auf der Corioliskraft beruhende Empfindlichkeit.

Selbst in dem wie in Fig. 20 gezeigten herkömmlichen stimmgabelartigen Winkelgeschwindigkeitssensor ist ein piezoelektrisches Anregungselement 301 in dem Mittenbereich der Vorderfläche des Vierkantelements 300 befestigt und ein piezoelektrisches Detektorelement 302 ist in dem Mittenbereich der rechten Fläche des Vierkantelements 300 befestigt.

Wenn ein AC-Signal an das piezoelektrische Anregungselement 320 angelegt wird, um das Gyroskop in Schwingung zu versetzen, dehnt sich das piezoelektrische Element 320 aus und zieht sich zusammen und die Vierkantpole des Oszillators 310 biegen sich und vibrieren in eine mit einem Pfeil in Fig. 21 gezeigte Richtung. Jedoch wird mit der herkömmlichen, wie in Fig. 22 gezeigten Anordnung ein ungewünschtes Signal in dem piezoelektrischen Detektorelement 330 aufgrund der Expansion und Kontraktion des Vierkantpoles des Vibrators 310 erzeugt, welches durch die Expansion und die Kontraktion des piezoelektrischen Anregungselementes 320 verursacht werden. Hierdurch wird ein Versatzrauschen (offset noise) des Gyroskops erzeugt.

Zudem arbeiten ein Paar piezoelektrische Elemente als Kondensatoren, wobei Anregungssignale durch die elektrostatische kapazitive Kopplung fließen und Versatzrauschen erzeugen.

Fig. 3 zeigt einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop mit einem Vierkantpol und Stimmgabelfrequenzregelung verwendet. Das heißt, zwei Vierkantpole 300 und 301 werden von einem Basisabschnitt 31 über einen Stützabschnitt 340 unterstützt, und ein piezoelektrisches Anregungselement 320 und ein piezoelektrisches Detektorelement 330 werden auf den in einem rechten Winkel aufeinandertreffenden Flächen von jedem der Vierkantpole 300 befestigt. Der Stützabschnitt 340 kann, wie in Fig. 23 gezeigt, die Form eines Stiftes aufweisen, um einen Schwingungsknoten zu unterstützen, oder der Stützabschnitt kann nicht vorgesehen sein, wie in Fig. 24 gezeigt.

Wenn der Knoten von einem dünnen Element, wie ein Stift 340 mit einem kreisförmigen Querschnitt wie in Fig. 23 gezeigt, unterstützt wird, wird eine unerwünschte Vibration bei dem Stützabschnitt 340 erzeugt, insbesondere wenn der Vibrator aufgrund von in dem Herstellungsverfahren erzeugter Dispersion nicht im Gleichgewicht ist, so daß es schwierig ist, den Vibrator fest zu unterstützen.

Wenn der Vibrator ohne Verwendung des Stützabschnitts wie in Fig. 24 gezeigt, gesichert ist, treten zudem in einem großen Ausmaß Vibrationsverluste auf, und der Vibrator kann nicht mit hohem Wirkungsgrad in Vibration versetzt werden.

Zudem beeinträchtigt der Vibrationsverlust das von dem Sensor ausgegebene Versatzsignal, und der Vibrationsverlust, der sich temperaturabhängig ändert, verursacht einen Temperaturdrift- Versatz.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu schaffen, der das Erzeugen von Rauschen in dem piezoelektrischen Detektorelement aufgrund der Vibration des Vibrators, die durch die Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Anregungselements verursacht wird, unterdrückt.

Die vorliegende Erfindung liefert einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der einen vierkantpolartigen Vibrator, ein auf einer Fläche des Vibrators befestigtes Piezoelektrisches Anregungselement und ein piezoelektrisches Detektorelement, das auf einer rechtwinklig zu der Fläche, auf der das piezoelektrische Anregungselement befestigt ist, angeordneten Vibratorfläche befestigt ist, wobei das piezoelektrische Detektorelement in der axialen Richtung des Vierkantpoles so verläuft, daß es das piezoelektrische Anregungselement nicht überschneidet.

Genauer liefert die Erfindung einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der einen mit einem Basisabschnitt über einen Stützabschnitt unterstützten vierkantpolartigen Vibrator, ein nahe dem Stützabschnitt des Vibrators befestigtes piezoelektrisches Anregungselement und einen an einer rechtwinklig zu der Fläche, auf der das piezoelektrische Anregungselement befestigt ist, angeordneten Vibratorfläche befestigtes piezoelektrisches Detektorelement, wobei das piezoelektrische Detektorelement in der axialen Richtung des Vierkantpoles zu der zu der Seite des Stützabschnitts gegenüberliegenden Seite so verläuft, daß es das piezoelektrische Anregungselement nicht überschneidet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind das piezoelektrische Anregungselement und das piezoelektrische Detektorelement so angeordnet, daß sie nicht einander gegenüberliegen, und es ist möglich, die Expansions- und Kontraktionssignale des Vibrators, die von den Anregungssignalen erzeugt werden, zu einem vernachlässigbaren Grad zu vermindern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das piezoelektrische Anregungselement zudem eher auf der Seite des Stützabschnitts als auf der Seite des piezoelektrischen Detektorelements befestigt, wobei es möglich wird, die Expansions- und Kontraktionssignale des Vibrators, die von den Anregungssignalen erzeugt werden, zu einem vernachlässigbaren Grad zu erniedrigen, und doch das Ausgangssignal des piezoelektrischen Detektorelements genügend aufrechtzuerhalten.

Wie oben im Detail beschrieben, weist die vorliegende Erfindung eine ausgezeichnete Wirkung zum Unterdrücken der Rauscherzeugung in dem piezoelektrischen Detektorelement aufgrund der Vibration des Vibrators auf, die von der Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Anregungselements herrührt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 ist ein die gemessenen Ergebnisse des Versatzrauschens darstellendes Diagramm zum Vergleich;

Fig. 3 ist eine Modelldarstellung, die die Wirkung der Anordnung von piezoelektrischen Elementen gemäß dem Ausführungsbeispiel darstellt;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung, die den Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung, die den Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 7 ist eine Schaltungsdarstellung des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 8 ist eine Darstellung von Wellenformen der Schaltung von Fig. 7;

Fig. 9 ist eine Darstellung zum Erklären der Eigenschaften des zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 10(a) und 10(b) sind Darstellungen von Charakteristiken zum Erklären der Eigenschaften des zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors zum Erklären eines dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors zum Erklären des dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 13(a), 13(b) und 13(c) sind Darstellungen des Winkelgeschwindigkeitssensors zum Erklären eines vierten Ausführungsbeispiels;

Fig. 14(a) und 14(b) sind schematische Darstellungen des Winkelgeschwindigkeitssensors zum Erklären eines fünften Ausführungsbeispiels;

Fig. 15 ist eine schematische Darstellung des Winkelgeschwindigkeitssensors zum Erklären eines sechsten Ausführungsbeispiels;

Fig. 16 ist eine Schaltungsdiagramm zum Erklären eines siebten Ausführungsbeispiels;

Fig. 17 ist eine Darstellung von Wellenformen der Schaltung zum Erklären des siebten Ausführungsbeispiels;

Fig. 18 ist eine Schaltungsdarstellung zum Erklären eines achten Ausführungsbeispiels;

Fig. 19 ist eine Darstellung von Wellenformen der Schaltung zum Erklären des achten Ausführungsbeispiels;

Fig. 20 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensors;

Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensors;

Fig. 22 ist eine Modelldarstellung zum Erklären der Wirkung der herkömmlichen Anordnung von piezoelektrischen Elementen;

Fig. 23 ist eine perspektivische, einen herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor darstellende Ansicht;

Fig. 24 ist eine einen herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor darstellende Ansicht;

Fig. 25 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 26 ist eine Vorderansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors von Fig. 25;

Fig. 27 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und der Amplitude des Basisabschnitts zeigt;

Fig. 28 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und der Amplitude des Basisabschnitts darstellt;

Fig. 29 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und der Amplitude des Basisabschnitts darstellt;

Fig. 30 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und der Amplitude des Basisabschnitts darstellt;

Fig. 31 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und der Amplitude des Basisabschnitts darstellt;

Fig. 32 ist ein Diagramm, das die Breite des Stützabschnitts und die Temperaturdrift. darstellt;

Fig. 33 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und dem Unterschied in der Amplitude gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 34 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und dem Unterschied in der Amplitude darstellt;

Fig. 35 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und dem Unterschied in der Amplitude darstellt;

Fig. 36 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und dem Unterschied in der Amplitude darstellt;

Fig. 37 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und dem Unterschied in der Amplitude darstellt;

Fig. 38 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und dem Unterschied in der Amplitude darstellt;

Fig. 39 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und dem Unterschied in der Amplitude darstellt;

Fig. 40 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Breite des Stützabschnitts und dem Unterschied in der Amplitude darstellt;

Fig. 41 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Länge des Stützabschnitts und der Breite des Stützabschnitts darstellt;

Fig. 42 ist eine perspektivische Ansicht, die den Winkelgeschwindigkeitssensor darstellt;

Fig. 43 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Unterschied Δf in der Frequenz und der Empfindlichkeit zeigt;

Fig. 44 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeitsfrequenz und der Verstärkung zeigt;

Fig. 45 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Frequenz und der Reaktion zeigt;

Fig. 46 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen der Frequenz und der Reaktion zeigt;

Fig. 47 ist eine Darstellung, die die gesamte Elementenanordnung eines Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, auf den ein elftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgerichtet ist;

Fig. 48(a), 48(b) und 48(c) sind Darstellungen, die die Bedingungen von in dem Winkelgeschwindigkeitssensor erzeugter Spannung zeigen, wenn die Vierkantpole von den piezoelektrischen Anregungselementen gebogen und in Schwingung versetzt werden;

Fig. 49 ist eine Darstellung von Charakteristiken, die die experimentellen Ergebnisse einer Beziehung zwischen der Abweichung Δy in der Position des piezoelektrischen Detektorelements und der Versatzspannung Vout zeigen;

Fig. 50(a), 50(b) und 50(c) sind Darstellungen von Charakteristiken, die die experimentellen Ergebnisse einer Beziehung zwischen der Abgleich(trimmer)länge z zeigen, wenn der Abgleich (trimming) mit einer vorbestimmten Kerbenbreite W und der Versatzspannung Vout bewirkt wird;

Fig. 51 ist eine Darstellung von Charakteristiken, die die experimentellen Ergebnisse einer Beziehung zwischen der Kerbenbreite W, bei der der Abgleich mit einer vorbestimmten Abgleichlänge z bewirkt wird, und der Versatzspannung Vout zeigt;

Fig. 52 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte zum Justieren des Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 53(a) und 53(b) sind Darstellungen, die das Justierverfahren durch Abgleich gemäß einem elften Ausführungsbeispiel zeigen;

Fig. 54 ist ein Flußdiagramm zum Erklären der Schritte des Abgleichs gemäß dem elften Ausführungsbeispiel;

Fig. 55(a) und 55(b) sind Darstellungen zum Erklären des Justierverfahrens durch Abgleich gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel;

Fig. 56(a) ist eine Darstellung, die Nachteile in dem Abgleichmuster erklärt;

Fig. 56(b) ist eine Darstellung, die ein Abgleichmuster gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung erklärt;

Fig. 56(c) ist eine Darstellung, die ein Abgleichmuster gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel erklärt;

Fig. 57 ist eine Darstellung von Charakteristiken, die eine Änderung des piezoelektrischen Elementes mit dem Zeitablauf entsprechend dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel zeigt.

Ausführungsbeispiele in bezug auf den Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben.

(Erstes Ausführungsbeispiel)

Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht ein Vibrator 1 aus einem gleichbleibend elastischen Material wie einer Eisen-Nickel- Legierung und hat die Form einer Vierkantpol-Stimmgabel. Das heißt, ein erster Vierkantpol 3 und ein zweiter Vierkantpol 4 werden von einem Basisabschnitt 2 über einen Stützabschnitt 5, an welchem sie zusammentreffen, unterstützt.

Der Basisabschnitt 2, der erste Vierkantpol 3, der zweite Vierkantpol 4 und der Stützabschnitt 5 haben im Querschnitt eine Vierkantform, welche rechteckig oder quadratisch sein kann.

Ein piezoelektrisches Anregungselement 6 von rechtwinkliger Form ist auf einem oberen Teil der linken Seitenfläche des ersten Vierkantpols 3 des Vibrators 1 befestigt. Ähnlich ist ein piezoelektrisches Anregungselement 7 von rechtwinkliger Form auf einem oberen Teil der rechten Seitenfläche des zweiten Vierkantpols des Vibrators 1 befestigt. Wenn eine AC-Spannung an die piezoelektrischen Anregungselemente 6 und 7 angelegt wird, oszillieren der erste und der zweite Vierkantpol 3 und 4 in Rechts- und Linksrichtung (die durch eine X-Achse angedeutete Richtung) in Fig. 1.

Zudem ist ein rechtwinkelförmiges piezoelektrisches Detektorelement 8 auf einem unteren Teil auf der Vorderfläche des ersten Vierkantpoles 3 des Vibrators 1 befestigt. Ähnlich ist ein rechtwinkelförmiges piezoelektrisches Detektorelement 9 auf einem unteren Teil auf der Vorderfläche des zweiten Vierkantpoles 4 des Vibrators 1 befestigt. Wenn eine Rotationswinkelgeschwindigkeit auf die Mittenachse der Vierkantpole 3, 4 (Vibrator) ausgeübt wird, messen die piezoelektrischen Detektorelemente 8 und 9 die Corioliskraft als eine Spannung, die in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung (die mit einer Y-Achse gezeichnete Richtung) in Fig. 1 wirkt, die die Vibration der ersten und zweiten Vierkantpole 3 und 4, die von den piezoelektrischen Anregungselementen 6 und 7 durch Anlegen einer AC-Spannung erzeugt wird, begleitet.

Zudem wird ein piezoelektrisches Rückkopplungselement 10 von rechtwinkliger Form auf einen unteren Teil auf der rechten Seitenfläche des ersten Vierkantpoles 3 des Vibrators 1 befestigt. Ähnlich wird ein piezoelektrisches Rückkopplungselement 11 von rechtwinkliger Form auf einem unteren Teil auf der linken Seitenfläche des zweiten Vierkantpoles des Vibrators 1 befestigt. Die piezoelektrischen Rückkopplungselemente 10 und 11 messen als eine Spannung die Vibration des ersten und zweiten Vierkantpoles 3 und 4, die von den piezoelektrischen Anregungselementen 6 und 7 durch Anlegen der AC-Spannung erzeugt werden.

In diesem Ausführungsbeispiel haben die piezoelektrischen Anregungselemente 6 und 7, die piezoelektrischen Detektorelemente und 8 und 9 und die piezoelektrischen Rückkopplungselemente 10 und 11, wie in Fig. 1 gezeigt, die gleiche Größe von 13 mm×3 mm in der vertikalen Richtung und der seitlichen Richtung. Zudem werden das piezoelektrische Anregungselement 6 und das piezoelektrische Detektorelement 8 so angeordnet, daß sie einen Abstand von 4 mm in der axialen Richtung des ersten Vierkantpoles 3 aufweisen. Ähnlich werden das piezoelektrische Anregungselement 7 und das piezoelektrische Detektorelement 9 so angeordnet, daß sie voneinander um 4 mm in der axialen Richtung des zweiten Vierkantpoles getrennt sind.

Die Arbeitsweise des so ausgebildeten Winkelgeschwindigkeitssensors wird unten beschrieben.

Wenn eine AC-Spannung den piezoelektrischen Anregungselementen 6 und 7 zugeführt wird, werden der erste und der zweite Vierkantpol 3 und 4 gebogen und in einer Anregungsvibrationsrichtung in Vibration versetzt. Die piezoelektrischen Rückkopplungselemente 10 und 11 erzeugen Signale im Verhältnis zu der Amplitude, wobei eine selbsterregte Vibrationsschaltung zusammen mit den piezoelektrischen Anregungselementen 6 und 7 gebildet wird.

Wenn eine Rotationswinkelgeschwindigkeit auf die Mittenachse der Vierkantpole 3 und 4 (Vibrator) ausgeübt wird, wird durch die Corioliskraft eine Vibration erzeugt, und aufgrund der Vibration werden in den piezoelektrischen Detektorelementen 8 und 9 Signale erzeugt. Die Winkelgeschwindigkeit wird auf der Grundlage der Signale der piezoelektrischen Detektorelemente 8 und 9 gemessen.

Fig. 2 zeigt die Wirkung von abnehmendem Versatzrauschen. Wenn Anregungssignale von 2 Volt mit einer Frequenz von 1 kHz angelegt werden, erzeugt ein herkömmlicher Sensor Versatzsignale von 10 bis 20 mV, wohingegen der Sensor der Anordnung von Fig. 1 Versatzrauschen erzeugt, welches um ungefähr ein Zehntel erniedrigt wird.

Gemäß diesem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel werden die piezoelektrischen Anregungselemente 6 und 7 auf den oberen Teilen der Seitenflächen der Vierkantpole 3 und 4 befestigt, und die piezoelektrischen Detektorelemente 8 und 9 werden auf den unteren Teilen der rechtwinklig zu den Flächen, auf denen die piezoelektrischen Anregungselemente 6 und 9 befestigt sind, angeordneten Vorderflächen der Vierkantpole 3 und 4 befestigt. Das heißt, daß, wie in Fig. 3 gezeigt, die piezoelektrischen Anregungselemente 6, 7 und die piezoelektrischen Detektorelemente 8 und 9 so angeordnet sind, daß sie in der axialen Richtung der Vierkantpole so verlaufen, daß sie sich nicht überschneiden.

Mit den piezoelektrischen Anregungselementen 6, 7 und den piezoelektrischen Detektorelementen 8, 9, die zueinander beabstandet angeordnet sind, so daß sie nicht einander gegenüberliegen, wird es möglich, die Expansions- und Kontraktionssignale des Vibrators aufgrund der Anregungssignale auf einen vernachlässigbaren Grad zu erniedrigen. Zudem wird es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit verbesserter Genauigkeit zu schaffen, da das Rauschen aufgrund der Expansion und Kontraktion niedrig ist.

(Zweites Ausführungsbeispiel)

Ein zweites Ausführungsbeispiel wird nun im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben.

Ein Vibrator 20 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird auf eine Auflage 23b mittels eines U-förmigen Befestigungsabschnittes 23a befestigt, der in dem Halteabschnitt 21 des Vibrators 20 vorgesehen ist. Bezugszeichen 37 bezeichnet ein Gehäuse.

Ein Signal des Vibrators 20 wird über einen Leitdraht 24 mit einer Schaltung 25 verbunden, welche die Signale bearbeitet. Das Signal, das verarbeitet wird, wird über einen Verbinder 26 zu einem äußeren ECU oder dergleichen, das nicht gezeigt ist, geleitet.

Der Vibrator 20 und die Schaltung 25 sind in einem Gehäuse 27, wie in Fig. 4 gezeigt, angeordnet.

Das Verfahren zum Befestigen des Vibrators 20 des zweiten Ausführungsbeispiels wird nun genauer im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben.

Wie im folgenden genauer beschrieben wird, ist der Vibrator 20 mit piezoelektrischen Detektorelementen 30 und 31, piezoelektrischen Anregungselementen 32 und 33 und piezoelektrischen Rückkopplungselementen 34 und 35 ausgestattet.

Ein Basisabschnitt des Vibrators 20 wird unter Kraftaufwand in das Gehäuse 37 eingesetzt, so daß der Vibrator 20 an dem Gehäuse 37 als eine einheitliche Struktur befestigt ist.

Enden an einer Seite von Signalausgabedrähten 38 sind durch Löten an den piezoelektrischen Detektorelementen 30 und 31, an den piezoelektrischen Anregungselementen 32 und 33 und an den piezoelektrischen Rückkopplungselementen 34 und 35 befestigt, welche an dem Vibrator 20 befestigt sind, und die anderen Enden der Signalausgabedrähte 38 sind durch Löten an den auf dem Basisabschnitt 36 ausgebildeten Anschlüssen befestigt.

Bei dieser Ausbildung werden die Signale von den piezoelektrischen Elementen dem Gehäuse 37 durch mit den Anschlüssen 39 verbundene Leitdrähte entnommen und werden der in Fig. 4 gezeigten Schaltung 25 zugeführt.

Ein Flansch 4 wird durch Abdichten (Dichtschweißen) an dem Außenrand des Gehäuses 37 befestigt, an dem der Vibrator 20 befestigt ist. Dann wird ein aus Gummi bestehender Halteabschnitt 21, der nicht gezeigt ist, durch Abdichten (Dichtschweißen) an der Außenfläche des Flansches 40 befestigt.

Das heißt, der Vibrator 20 wird in dem Gehäuse 27 dadurch gehalten, daß er mit der Auflage 23b über das Gehäuse 37, den Flansch 40 und den Halteabschnitt 21 verbunden ist.

Zudem wird ein Schutzgehäuse 41, das den Vibrator 20 schützt, an dem Gehäuse 37 durch Abdichten befestigt.

Ein Masseanschluß 42 wird mit dem Gehäuse 37 über Punktschweißen verbunden und ermöglicht es, daß eine Erdverbindung des Vibrators 20 über das Gehäuse 37 erhalten wird.

Erdanschlüsse der piezoelektrischen Elemente 30 bis 35 werden normalerweise mit dem Erdanschluß 42 verbunden.

Fig. 6 zeigt die Ausgestaltung des Vibrators 20 des zweiten Ausführungsbeispiels.

Gemäß dem in Fig. 6 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel werden ein erster Vierkantpol 51 und ein zweiter Vierkantpol 52 von dem Basisabschnitt 36 des Vibrators 20 über einen Stützabschnitt 53, bei welchem sie zusammentreffen, verbunden.

Der Basisabschnitt 36, der erste Vierkantpol 51, der zweite Vierkantpol 52 und der Stützabschnitt 53 sind in ihrem Querschnitt viereckig.

Die bis hierher beschriebene Ausgestaltung ist fast die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels. Jedoch ist das zweite Ausführungsbeispiel von dem ersten Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Positionen der piezoelektrischen Elemente 30 bis 35 verschieden.

Das heißt, das piezoelektrische Detektorelement 30 von rechtwinkliger Form ist an dem oberen Teil auf der Vorderfläche des ersten Vierkantpols 51 des Vibrators befestigt. Ähnlich ist das piezoelektrische Detektorelement 31 von rechtwinkliger Form auf einem oberen Teil auf der Vorderfläche des zweiten Vierkantpols 52 des Vibrators 20 befestigt.

Zudem sind die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 auf der Fläche des ersten und des zweiten Vierkantpoles 51 und 52 in der gleichen Richtung befestigt, so daß die Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Elemente 30 und 31 relativ zueinander verschieden sind.

Das piezoelektrische Anregungselement 32 von rechtwinkliger Form ist an dem unteren Teil der linken Seite des ersten Vierkantpols 51 des Vibrators 20 befestigt. Ähnlich ist das piezoelektrische Anregungselement 33 von rechtwinkliger Form an dem unteren Teil auf der rechten Seite des zweiten Vierkantpols 52 des Vibrators 20 befestigt. Wenn eine AC-Spannung an die piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33 der obenbeschriebenen Anordnung angelegt wird, vibrieren der erste und der zweite Vierkantpol 51 und 52 in der Rechts- und Linksrichtung (die durch eine X-Achse dargestellte Richtung) in Fig. 6. Wenn eine Rotationswinkelgeschwindigkeit auf die Mittenachse A der Vierkantpole 51 und 52 (Vibrator 20) ausgeübt wird, während der erste und der zweite Vierkantpol 51 und 52 mit der an die piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33 angelegte AC- Spannung vibrieren, messen die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 als eine Spannung die Corioliskraft, die in der Rückwärts- und Vorwärtsrichtung (die durch die Pfeile Y1 und Y2 gekennzeichnete Richtung) in Fig. 6 wirkt. In diesem Fall kann die Corioliskraft nicht in der gleichen Richtung wirken, aber in voneinander verschiedene Richtungen zwischen den Vierkantpolen 51 und 52.

Zudem ist das piezoelektrische Rückkopplungselement 34 von rechtwinkliger Form an einem oberen Teil der linken Seite des ersten Vierkantpoles 51 des Vibrators 20 befestigt. Ähnlich ist das piezoelektrische Rückkopplungselement 35 von rechtwinkliger Form an dem unteren Teil auf der rechten Seite des zweiten Vierkantpols 52 des Vibrators 20 befestigt.

Die piezoelektrischen Rückkopplungselemente 34 und 35 messen als Spannung die Vibration des ersten und des zweiten Vierkantpoles 51 und 52, die durch das Anlegen der AC-Spannung an die piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33 erzeugt wird.

Die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 des Vibrators 20 des zweiten Ausführungsbeispiels sind an der Fläche der Vierkantpole in der gleichen Richtung so befestigt, daß ihre Polarisationsrichtungen zueinander verschieden sind.

Wenn die Corioliskraft auf die Vierkantpole 51 und 52 der obigen Ausbildung wirkt, vibrieren die Vierkantpole 51 und 52 in voneinander verschiedene Richtungen. Daher messen die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 die Vibration der Vierkantpole 51 und 52 aufgrund der Corioliskraft.

Wenn der Vibrator 20 selbst aufgrund von äußeren Vibrationen oder dergleichen vibriert, vibrieren die Vierkantpole 51 und 52 in der gleichen Richtung.

Da hier jedoch die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 so angeordnet worden sind, daß ihre Polarisationsrichtungen einander entgegengesetzt sind, werden die Detektorsignale auf solche Weise ausgegeben, daß sie einander auslöschen. Das ermöglicht es, äußere Rauschfaktoren, die auf den Vibrator 20 von außen einwirken, zu beseitigen.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel haben die piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33, die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 und die piezoelektrischen Rückkopplungselemente 34 und 35 die gleiche Größenausdehnung 13 mm×2,61 mm in der vertikalen Richtung und der seitlichen Richtung und 0,4 mm in der Dicke.

Darüberhinaus sind das piezoelektrische Anregungselement 32 und das piezoelektrische Detektorelement 33 so angeordnet, daß sie voneinander 2 mm in der axialen Richtung des ersten Vierkantpoles 51 entfernt sind. Ähnlich sind das piezoelektrische Anregungselement 33 und das piezoelektrische Detektorelement 31 so angeordnet, daß sie voneinander um 2 mm in der axialen Richtung des zweiten Vierkantpoles 52 beabstandet sind.

Als nächstes wird die in Fig. 4 gezeigte Schaltung 25 genau beschrieben.

Fig. 7 stellt die Hauptteile der Schaltung 25 dar. Diese Schaltung 25 umfaßt einen Rückkopplungskreis 25a für piezoelektrische Rückkopplungselemente 34 und 35 und eine Winkelgeschwindigkeits-Detektionsschaltung 25b, die ein Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal von den Detektionssignalen der piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 erhält.

Die Rückkopplungsschaltung 25a umfaßt einen Verstärker 101, einen Gleichrichter 103, ein Tiefpaßfilter 104, eine Referenzspannungsquelle 102, einen Differenzenverstärker 105, eine Phasenverschiebungsschaltung und einen Vervielfacher (multiplier).

Die Winkelgeschwindigkeits-Detektionsschaltung umfaßt einen Verstärker 108, eine Periodenmeßschaltung 109, ein Tiefpaßfilter 110 und einen Verstärker 111.

Der Betrieb der Schaltung 25 wird als nächstes beschrieben.

Zuerst wird die Rückkopplungsschaltung 25a beschrieben.

Ausgangssignale der piezoelektrischen Rückkopplungselemente 34 und 35 werden mit dem Verstärker 101 verstärkt und werden der Phasenverschiebungsschaltung 106 zugeführt, um eine Schwingung bei einem Resonanzwert des Vibrators 20 zu erzeugen.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 101 wird auf der anderen Seite in eine DC-Spannung konvertiert, die der Ausgangsamplitude der piezoelektrischen Rückkopplungselemente 34 und 35 entspricht, und durchläuft dann den Gleichrichter 103 und das Tiefpaßfilter 104. Um die Ausgangsamplituden der piezoelektrischen Rückkopplungselemente 34 und 35 konstant zu halten, werden die Ausgangssignale des Tiefpaßfilters 104 und die Ausgangssignale der Referenzspannungsquelle 102 differentiell mit einem Differentialverstärker 105 verstärkt.

Das Differentialverstärkersignal wird mit dem Ausgangssignal der Phasenverschiebungsschaltung 106 mit dem Vervielfacher 107 multipliziert.

Das so multiplizierte Signal wird den piezoelektrischen Anregungselementen 32 und 33 zugeführt. Somit wird der Vibrator 20 selbst erregt, so daß die Amplitude konstant wird.

Im folgenden wird die Winkelgeschwindigkeits-Meßschaltung 25b beschrieben.

Ausgangssignale der piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 werden mit dem Verstärker 108 multipliziert, und ihre Perioden werden von der Periodenmeßschaltung 109 auf der Grundlage der Phase der Phasenverschiebungsschaltung 106 gemessen. Die Ausgangssignale durchlaufen dann das Tiefpaßfilter 110 und den Verstärker 111, wodurch das Ausgangssignal proportional zu der zu messenden Winkelgeschwindigkeit gemacht werden kann.

Fig. 8 zeigt Wellenformen bei Punkten 201 bis 205 von Fig. 7, von denen entnommen werden kann, daß die Ausgangswellenform 201 des Verstärkers 101 und die Ausgangswellenform 202 der Phasenverschiebungsschaltung 106 in der Phase voneinander um 90° abweichen.

Die Ausgangswellenform 203 des Verstärkers 108 enthält Spannungen, die von den Versatzausgangssignalen der piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 erzeugt werden, eine Winkelgeschwindigkeit im Uhrzeigersinn und eine Winkelgeschwindigkeit im Gegenuhrzeigersinn. In Fig. 8 ist das Signal im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn mit einer punktierten Linie angedeutet.

Bezugszeichen 204 stellt ein durch Messen der Signalperiode der Ausgangswellenform 203 auf der Grundlage der Phase der Ausgangswellenform 202 der Phasenverschiebungsschaltung 106 erhaltenes Signal dar, d. h. es stellt die Ausgangswellenfunktion der Periodenmeßschaltung 109 dar.

Die Ausgangswellenform 204 enthält keine DC-Komponente, die von dem Versatz erzeugt wurde, sondern enthält ein positives Ausgangssignal, das von der Winkelgeschwindigkeit im Uhrzeigersinn erzeugt wird und ein negatives Ausgangssignal, das von der Winkelgeschwindigkeit im Gegenuhrzeigersinn erzeugt wird.

Bezugszeichen 205 bezeichnet die Wellenform eines Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignals, das schließlich das Tiefpaßfilter 110 und den Verstärker 111 durchlaufen hat.

Im folgenden ist der Grund beschrieben, warum die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 bei dem Vibrator 20 des zweiten Ausführungsbeispiels in Abschnitten unter den piezoelektrischen Anregungselementen 32 und 33 vorgesehen sind Fig. 9 ist eine Vorderansicht des Vibrators 20 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Hier werden die Wurzelabschnitte des ersten Vierkantpols 51 und des zweiten Vierkantpols 52 des Vibrators 20 als bei einem Punkt Null angenommen. Fig. 10(a) und 10(b) stellen Schwankungen in ihren Empfindlichkeiten und Amplituden hinsichtlich der Positionen der piezoelektrischen Detektorelemente 30, 31 und der piezoelektrischen Anregungselemente 32, 33 mit dem Punkt Null als eine Bezugsposition dar.

Wie aus Fig. 10(a) und 10(b) hervorgeht, wächst die Empfindlichkeit, wenn sich die Positionen der piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 dem Punkt Null des Vibrators 20 nähern.

Zudem wächst die Amplituden, wenn die piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33 sich dem Punkt Null annähern. Die Amplitude ändert sich fast nicht, selbst wenn die piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33 an Positionen unterhalb des Punktes Null vorgesehen sind, sofern sich ihre Positionen innerhalb einer Entfernung von 4 mm von dem Punkt Null befinden, aber die Amplitude nimmt drastisch ab, wenn ihre Positionen von dem Punkt Null um mehr als 4 mm entfernt werden.

Es geht aus Fig. 10(a) und 10(b) hervor, daß bevorzugte Eigenschaften erhalten werden, solange die piezoelektrischen Detektorelemente 30, 31 und die piezoelektrischen Anregungselemente 32, 33 näher an dem Punkt Null des Vibrators 20 angeordnet sind. Es geht ferner daraus hervor, daß die piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33 an Positionen unterhalb des Punktes Null anstelle der piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 vorgesehen werden können.

Die gegenwärtigen Erfinder haben auch die Spannungsverteilung berücksichtigt, die von dem Vibrator 20 erzeugt wird.

Das heißt, daß die Spannung in dem Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung, der in Fig. 48 gezeigt ist, und wie später beschrieben wird, im wesentlichen in der Nähe des Wurzelabschnittes (nahe dem Punkt Null) des Vibrators 20 erzeugt wird.

Die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 messen daher auch die Spannung, wenn sie an Stellen vorgesehen sind, wo die Spannung konzentriert ist, so daß ein genaues Messen der Winkelgeschwindigkeit schwierig ist.

Das heißt, es ist nicht wünschenswert, die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 nahe dem Punkt Null vorzusehen, da sie Rauschen aufgrund der Spannungskonzentrationen messen.

Wegen der obengenannten Gründe sind gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 auf oberen Teilen der Vierkantpole angeordnet, und die piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33 sind auf unteren Teilen der Vierkantpole angeordnet.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33 zudem bei um 4 mm niedrigeren Positionen als der Punkt Null angeordnet, um die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 so nah wie möglich an den Punkt Null zu bringen.

Zudem wird eine Entfernung H von 2 mm zwischen den Unterseiten der piezoelektrischen Detektorelemente 30, 31 und den Oberseiten der piezoelektrischen Anregungselemente 32, 33 aufrechterhalten.

Dies wird gemacht, da, wenn die Entfernung kleiner als 1 mm ist, die piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 die Wirkung der piezoelektrischen Anregungselemente 32 und 33 messen.

(Drittes Ausführungsbeispiel)

Das obenbeschriebene Ausführungsbeispiel betraf einen Winkelgeschwindigkeitssensor vom Stimmgabeltyp mit Vierkantpolen. Die Erfindung kann jedoch auf einen Sensor vom Abgleichstück-Typ, wie in Fig. 11 und 12 gezeigt, angewendet werden.

Das heißt, daß, wie in Fig. 11 gezeigt, ein piezoelektrisches Anregungselement 61 an einem Mittenabschnitt der Vorderfläche eines Vierkantpoles 60 befestigt wird. Dann werden piezoelektrische Detektorelemente 62 und 63 an unteren und oberen Abschnitten auf der rechten Fläche des Vierkantpoles 60 befestigt.

Wie in Fig. 12 gezeigt, werden zudem piezoelektrische Anregungselemente 66 und 67 an oberen und unteren Abschnitten auf der Vorderfläche des Vierkantpoles 65 befestigt, und ein piezoelektrisches Detektorelement 68 ist an einem zentralen Abschnitt auf der rechten Seitenfläche des Vierkantpoles 65 befestigt.

(Viertes Ausführungsbeispiel)

Ein viertes Ausführungsbeispiel betrifft eine andere Anordnung für den Aufbau des Vibrators 20 der vorliegenden Erfindung. Fig. 13(a) bis 13(c) stellen einen Winkelgeschwindigkeitssensor 70 dar, der einen Vibrator 20 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel aufweist. Die Eigenschaft des vierten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß der Vibrator 20 und die Schaltung 25 parallel zueinander angeordnet sind. Die Ausgestaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors 70 wird nun genauer beschrieben.

Der Winkelgeschwindigkeitssensor 70 weist die Schaltung 75 und den Vibrator 20 auf, die parallel auf einem Steg 71 angeordnet sind.

Das heißt, eine Klemmvorrichtung 72 ist vorgesehen, um den Stützabschnitt 53 des Vibrators 20 zu halten, und beide Enden 72a und 72b der Klemmvorrichtung 72 sind mit dem Steg punktverschweißt. Zudem ist ein Halteabschnitt 72c der Klemmvorrichtung 72 auf dem Stützabschnitt 53 des Vibrators 20 punktgeschweißt, so daß die Klemmvorrichtung 72 und der Stützabschnitt 53 fest miteinander verbunden sind.

Aufgrund dieser Anordnung ist der Vibrator 20 an der Fläche 71a des Steges 71 befestigt.

Zudem ist die Schaltung 25 zwischen dem Steg 71 und dem Vibrator 20 angeordnet, d. h. auf der Fläche 71a des Steges 72.

Das Detektionssignal des Vibrators 20 wird dem Schaltkreis 25 über einen Signalausgabedraht, der nicht gezeigt ist, zugeführt.

Das von der Schaltung 25 verarbeitete Signal wird der anderen Fläche 71b des Steges 71 durch einen Stift 73 zugeführt. Das von der Schaltung 25 verarbeitete Signal wird einer Verarbeitungsschaltung, die nicht gezeigt ist, über den Stift 73, den Leitdraht 74 und den Verbinder 75 zugeführt.

Eine Abdeckung 76 wird auf einer Fläche 71a des Steges 71 befestigt, so daß sein gesamter Umfang so verschweißt wird, daß der Vibrator 20 durch die Schaltung 25 bedeckt sind.

Aufgrund der hermetischen Abdichtung, die für die Abdeckung 76, den Steg 71 und den Stift 73 vorgesehen sind, sind der Vibrator 20 und die Schaltung 25 nicht direkt der offenen Atmosphäre ausgesetzt.

Der Aufbau des vierten Ausführungsbeispiels ermöglicht es, den Vibrator 20 und die Schaltung 25 parallel und nahe aneinander anzuordnen. Daher wird das Meßsignal des Vibrators 20 der Schaltung 25 über die kürzeste Entfernung zugeführt, und die Ausführungsform wird in einer kleinen Größe verwirklicht, und die Wirkung von Rauschsignalen von außen wird minimiert.

(Fünftes Ausführungsbeispiel)

Das fünfte Ausführungsbeispiel beschreibt eine andere Anordnung zum Unterstützen des Vibrators 20 im Hinblick auf Fig. 14(a) und 14(b).

Der Vibrator 20 wird mit seinem Stützabschnitt 53 in Kontakt gehalten, welcher unter Kraftaufwendung in ein in dem Gehäuse 81 ausgebildetes Einpaßloch eingeführt wird.

Das Gehäuse 81 weist Anschlüsse 82 auf, welche durch Einsetzschmelzen gebildet wird. Die Signalausgabe-Leitdrähte sind mit den Anschlüssen 82 durch Löten verbunden, so daß Signale der piezoelektrischen Anregungselemente 32, 33 und Signale der piezoelektrischen Rückkopplungselemente 34, 35 diesen übergeben werden können. Zudem sind die Signalausgabedrähte mit den Anschlüssen 83 durch Löten so verbunden, daß Signale der piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 dorthin übertragen werden können.

Bei der obenbeschriebenen Anordnung werden die Signale über die Anschlüsse 82 und 83 nach draußen gegeben.

Das Masseausgangssignal des Vibrators 20 wird über einen Masseanschluß 84 nach außen gegeben, der mit dem Vibrator 20 beispielsweise mittels Punktschweißen verbunden ist.

Ein Flanschabschnitt 85 mit einem runden herausgeschnittenen Loch 85a wird in beiden Flügeln des Gehäuses 81 ausgebildet. In das runde Loch 85a wird ein Befestigungsabschnitt 87 eingepaßt, der aus einem derartigen Material wie Gummi oder dergleichen besteht, und der an einem Ende des Stützelements 86 ausgebildet ist. Zudem wird ein Befestigungsabschnitt 88 an dem anderen Ende des Stützelements 86 in ein nicht gezeigtes Gehäuse eingepaßt.

In der obenbeschriebenen Anordnung sind die Auflage auf der nicht gezeigten Gehäuseseite und das Gehäuse 81 über das Stützelement 86 miteinander befestigt.

(Sechstes Ausführungsbeispiel)

In dem sechsten, in Fig. 15 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liegt eine Eigenschaft in den auf dem Vibrator vorgesehenen piezoelektrischen Elementen und in einem auf den piezoelektrischen Elementen ausgebildeten Elektrodenmuster.

Das heißt, piezoelektrische Detektorelemente 93, 94 und piezoelektrische Anregungs-/Rückkopplungselemente 95, 96 mit der gleichen Breite wie die Breite der Fläche auf einer Seite eines ersten Vierkantpoles 91 und eines zweiten Vierkantpoles 92, die einen Vibrator 90 bilden, sind an dem Vibrator 90 befestigt.

Die Elektroden auf den piezoelektrischen Anregungs-/ Rückkopplungselementen 95 und 96 werden mit einer Ag-Paste oder dergleichen musterförmig aufgebracht. Aufgrund des Musteraufbringens werden Rückkopplungsabschnitte 95a, 96a und Anregungsabschnitte 95a, 96b auf den Flächen der piezoelektrischen Anregungs-/Rückkopplungselemente 95 und 96 gebildet. Eingangssignale in und Ausgangssignale von den piezoelektrischen Elementen 93 bis 96 werden nahe dem Stützabschnitt 98 des Vibrators 90 über die Ag-Paste oder dergleichen und die Signalentnahmeelektroden 97a bis 97d, welche musterförmig aufgebracht sind, entnommen.

Von da an werden die Signale der Außenseite des Gehäuses 81 über flexible plattenartige elastische Elektroden 99a bis 99d (nur 99b ist dargestellt) geleitet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die elastischen Elektroden 99 über Anschlüsse 83, die auf dem Gehäuse 81 ausgebildet sind, verbunden. Die elastischen Elektroden 99 können jedoch direkt auf dem Gehäuse 81 ausgebildet werden.

Bei dem Vibrator 90 des sechsten Ausführungsbeispiels werden die piezoelektrischen Detektorelemente bei Positionen oberhalb der piezoelektrischen Anregungselemente verbunden. Es gibt jedoch keine besondere Begrenzung, und es ist wichtig, daß die piezoelektrischen Detektorelemente den piezoelektrischen Anregungselementen nicht gegenüberliegen sollten.

(Siebtes Ausführungsbeispiel)

Das siebte Ausführungsbeispiel betrifft das Verarbeiten von Vibratorsignalen.

Die Corioliskraft wird bestimmt durch

F = ZmΩ×V
Ω: Eingangswinkelgeschwindigkeit,
V: Geschwindigkeit an der Vibratorspitze.

Wenn die Auslenkung l des Vibrators gegeben ist durch

l = L·sin wt
L: maximale Vibratorauslenkung,
w: Resonanzwinkelfrequenz des Vibrators,
dann ist die Spitzengeschwindigkeit V gegeben durch
V = dl/dt = L·w·cos wt
und die Corioliskraft ist gegeben durch F = ZnΩ×L·w·wswt.

Wenn daher die Amplitude L an der Spitze konstant gehalten wird, wird eine Spannung erzeugt, die proportional zu der Eingangswinkelgeschwindigkeit Ω ist.

Bei dem zweiten, in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die piezoelektrischen Rückkopplungselemente 34 und 35 so gesteuert, daß ihre Ausgangssignale konstant gehalten werden.

Das siebte, in Fig. 16 gezeigte Ausführungsbeispiel benötigt keine Amplitudenregelung.

Das Prinzip besteht darin, daß die Ausgangssignale der piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 anstelle desjenigen der Periodenmeßschaltung 109 mit dem Teiler 112 durch die Ausgangssignale geteilt werden, welche durch Phasenverschiebung um 90° der Ausgangssignale der piezoelektrischen Rückkopplungselemente 34 und 35 mit der Teiler 112 erhalten werden, so daß sie nicht von der Auslenkung l des Vibrators beeinträchtigt werden.

Die Teilung wird wie im folgenden beschrieben ausgeführt. Zuerst wird die Auslenkung l in der Phase um 90° zu l′ verschoben, d. h.,

l′ = L·sin (wt + π/2) = L·cos·wt.

Dann wird die Teilung

welche für L nicht länger von Bedeutung ist, und die Amplitude muß nicht geregelt werden.

Fig. 17 zeigt Wellenformen bei Abschnitten 202 und 205 bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 16.

(Achtes Ausführungsbeispiel)

Fig. 18 veranschaulicht eine Verarbeitungsschaltung, die keine Amplitudenregelung benötigt. Dies wird durch Abgleichen Beschneiden) der piezoelektrischen Detektorelemente mit einem Laser erzielt, um eine geeignete Versatzspannung zu erzielen.

Wenn nun

V_OF = V_OF·cos wt
V_w = V_w·sin wt,
dann ist das Ausgangssignal Vs des piezoelektrischen Detektorelementes 2 gegeben durch
Vs = V_OF + V_w = V_OF·cos wt + V_w·sin wt.

Hierbei ist, wenn V_OF << V_w, dann
Vs = V_OF cos (wt + ΔΦ).

Dann entspricht das gemessene ΔΦ der Eingangswinkelgeschwindigkeit.

In Fig. 18 werden die Ausgangssignale der piezoelektrischen Rückkopplungselemente 34 und 35 mit dem Verstärker 101 verstärkt.

Die Phasen werden dann um 90° mit der Phasenverschiebungsschaltung 106 phasenverschoben, und die Signale werden mit einem Komparator 113 in digitale Signale verwandelt.

Auf der anderen Seite werden die Ausgangssignale der piezoelektrischen Detektorelemente 30 und 31 mit dem Verstärker 108 verstärkt und werden mit einem Komparator 114 in digitale Signale verwandelt.

Es wird ein EX-OR 115 dieser Signale erhalten und wird durch das Tiefpaßfilter 110 und den Verstärker 111 geführt, um ein Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal zu erhalten.

Fig. 19 stellt Wellenformen bei Abschnitten 203, 205, 207, 208 und 209 des Ausführungsbeispiels der Fig. 18 dar.

Was den Versatz betrifft, so haben die digitalen Signale 207 und 208 Phasen, die voneinander um 90° abweichen und daher wird Signal 209 zu einem Digitalsignal mit einem Tastverhältnis von 50%.

Wenn die Winkelgeschwindigkeit der linken Seite eingegeben wird, wird das Tastverhältnis größer als 50% und die Winkelgeschwindigkeit im Uhrzeigersinn führt zu einem kleineren Tastverhältnis als 50%. Das Signal wird durch ein Tiefpaßfilter 110 und den Verstärker 111 geleitet, um ein Winkelgeschwindigkeitssignal zu erhalten.

Die gegenwärtigen Erfinder haben gründliche Untersuchungen durchgeführt, um das Problem zu lösen, daß selbst mit dem zuvor erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung unerwünschte Vibration in einem Stützabschnitt 340 erzeugt wird, wenn die Sensoreinheit durch Verwendung eines dünnen Elementes wie ein Stift 340 mit einem kreisförmigen Querschnitt unterstützt wird und insbesondere, wie in Fig. 23 gezeigt, in einem Fall, in dem der Vibrator aufgrund von während einer Herstellungsstufe entstandenen Dispersion nicht im Gleichgewicht ist. Das heißt, der Vibrator ist nicht fest unterstützt, die Vibration weist einen so großen Verlust auf, daß der Vibrator nicht leistungsfähig vibriert, der Vibrationsverlust beeinträchtigt das von dem Sensor ausgegebene Versatzsignal nachteilig und unterliegt zudem einer Änderung, die von der einen Temperaturdrift-Versatz verursachenden Temperatur abhängt. Die Erfinder haben das obige Problem durch einen unten beschriebenen technischen Aufbau gelöst.

Das heißt, ein erster Gesichtspunkt befaßt sich mit einem Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop vom Typ einer Stimmgabel mit Vierkantpolen verwendet, in dem zwei Vierkantpole von einem Basisabschnitt über einen Stützabschnitt in der Form eines Vierkantpoles unterstützt werden, und piezoelektrische Anregungselemente und piezoelektrische Detektorelemente auf den Flächen der in rechtem Winkel zueinander stehenden Flächen der Vierkantpole befestigt sind, wobei die Vibration in dem Basisabschnitt weniger als 1,5% der Vibration in den Vierkantpolen beträgt, die von den darauf befestigten piezoelektrischen Anregungselementen erzeugt wird.

Ein zweiter Gesichtspunkt betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop vom Typ einer Stimmgabel mit Vierkantpolen verwendet, in welchem zwei Vierkantpole von einem Basisabschnitt über einen Stützabschnitt in der Form eines Vierkantpoles unterstützt werden, und piezoelektrische Anregungselemente und piezoelektrische Detektorelemente auf den Flächen der in einem rechten Winkel zusammentreffenden Vierkantpole befestigt sind, wobei der Stützabschnitt eine Breite aufweist, die kleiner als 5 mm ist.

Ein dritter Gesichtspunkt betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor, bei dem die Dicke des Stützabschnittes fast die gleiche ist, wie die Dicke der Vierkantpole.

Ein vierter Gesichtspunkt betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor, bei dem die Breite des Stützabschnittes in einem Bereich liegt, der kleiner als 5 mm aber größer als 0,5 mm ist.

Ein fünfter Gesichtspunkt betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop vom Typ einer Stimmgabel mit Vierkantpolen verwendet, in dem zwei Vierkantpole von einem Basisabschnitt über einen Stützabschnitt der Form eines Vierkantpoles unterstützt wird, und piezoelektrische Anregungselemente und piezoelektrische Detektorelemente auf den in einem rechten Winkel aufeinandertreffenden Flächen der Vierkantpole befestigt sind, wobei, wenn die Breite des Stützabschnittes A Millimeter beträgt, die Breite der Vierkantpole B Millimeter beträgt, und die Länge des Stützabschnittes C Millimeter beträgt, eine Beziehung

A 0.4×C + B (1)

erfüllt ist.

Ein sechster Gesichtspunkt betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop vom Typ einer Stimmgabel mit Vierkantpolen verwendet, in welchem zwei Vierkantpole von einem Basisabschnitt über einen Stützabschnitt der Form eines Vierkantpoles unterstützt werden, und piezoelektrische Anregungselemente und piezoelektrische Detektorelemente auf den in einem rechten Winkel aufeinandertreffenden Flächen der Vierkantpole befestigt sind, wobei, wenn die Breite des Stützabschnittes A Millimeter beträgt, die Breite der Vierkantpole B Millimeter beträgt, und die Länge des Stützabschnittes C Millimeter beträgt, eine Beziehung

0.4×C + B-1 A 0.4×C + B + 1 (2)
erfüllt ist.

Das heißt, die Verwendung der obenbeschriebenen technischen Ausgestaltung ermöglicht es, den Vibrator, selbst wenn er nicht im Gleichgewicht ist, zu unterstützen und einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu realisieren, der wirksam Vibrationen erzeugt, wobei nur ein sehr geringer Vibrationsverlust auftritt.

Genauer gesagt kann der Vibrator dadurch stabilisiert werden, daß die Breite des Stützelementes kleiner als 5 mm festgesetzt wird oder dadurch, daß Dimensionen, die eine der obengenannten Beziehungen (1) oder (2) erfüllen, gewählt werden.

Das heißt, die Vibrationsenergie kann wirksam in die Stimmgabel eingeschlossen werden, selbst wenn der Vibrator auf der rechten und der linken Seite aufgrund von Herstellungsfehlern in der Dimension während des Herstellungsverfahrens des Gyroskops verschiedene Größen haben.

Entsprechend wird der unerwünschte Vibrationsverlust erniedrigt und Rauscherzeugung wird unterdrückt.

Eine Abnahme des unerwünschten Vibrationsverlusts hilft, eine Vibrationsbedingung festzulegen, die gegen Temperaturänderungen stabil ist und es ermöglicht, gute Temperatureigenschaften zu erzielen.

Ausführungsbeispiele der obengenannten Gesichtspunkte werden nun im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben.

(Neuntes Ausführungsbeispiel)

Fig. 25 veranschaulicht einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop vom Typ einer Stimmgabel mit Vierkantpolen dieses Ausführungsbeispiels verwendet. Zwei Vierkantpole 403 und 404 sind von einem Basisabschnitt 401 über einen Stützabschnitt 402 in der Form eines Vierkantpoles unterstützt.

Der Winkelgeschwindigkeitssensor umfaßt den Basisabschnitt 401, den Stützabschnitt 402 und die Vierkantpole 403 und 404. Die Vierkantpole 403 und 404 haben einen viereckigen Querschnitt und fast die gleiche Dicke.

Ein piezoelektrisches Anregungselement 405 ist an einem unteren Abschnitt auf der linken Seitenfläche des Vierkantpoles 403 befestigt und ein piezoelektrisches Anregungselement 406 ist auf dem unteren Teil der rechten Seitenfläche des Vierkantpoles 404 befestigt. Wenn eine AC-Spannung an die piezoelektrischen Anregungselemente 405 und 406 angelegt wird, vibrieren die Vierkantpole 403 und 404 in den Rechts- und Linksrichtungen der Fig. 25.

Ein piezoelektrisches Detektorelement 407 ist an dem oberen Teil der Vorderfläche des Vierkantpoles 403 befestigt, und ein piezoelektrisches Detektorelement 408 ist auf dem unteren Teil der Vorderfläche des Vierkantpoles 403 befestigt. Wenn eine Rotationswinkelgeschwindigkeit auf die Mittenachse der Vierkantpole 403 und 404 (Vibrator) ausgeübt wird, messen die piezoelektrischen Detektorelemente 407 und 408 als eine Spannung die Corioliskraft, die in Fig. 25 in der Rückwärts- und Vorwärtsrichtung wirkt und die Vibration der Vierkantpole 403 und 404 begleitet, die von der an die piezoelektrischen Anregungselemente 405 und 406 angelegte AC-Spannung erzeugt wird.

Piezoelektrische Rückkopplungselemente 409 und 410 werden an Positionen oberhalb der piezoelektrischen Anregungselemente 405 und 406 befestigt und werden zum Überwachen der Vibrationsbedingung und zum Bewirken der Selbsterregung verwendet.

Die piezoelektrischen Anregungselemente 405 und 406 werden einer Expansion und Kontraktion unterzogen, wenn eine AC-Spannung daran angelegt wird, und die Vierkantpole 403 und 404 vibrieren in der Richtung der Anregungsvibration. Wenn eine Rotationswinkelgeschwindigkeit auf die Mittenachse der Vierkantpole 403 und 404 (Vibrator) unter dieser Bedingung einwirkt, wird aufgrund der Corioliskraft eine Detektorvibration erzeugt, und aufgrund der Biegevibration werden in den piezoelektrischen Detektorelementen 407 und 408 Signale erzeugt. Dann wird die Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der Signale der piezoelektrischen Detektorelemente 407 und 408 gemessen. Hier weist der Stützabschnitt 402 eine Breite A von 3 mm auf.

Im folgenden werden die Ergebnisse verschiedener Experimente beschrieben.

Der in Fig. 25 gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor ist nicht in der Lage, eine stabile Vibration ausreichend aufrechtzuerhalten, wenn Fehler in der Form und Größe zwischen den zwei Vierkantpole 403 und 404 bestehen, oder wenn Fehler hinsichtlich der Masse zwischen den piezoelektrischen Elementen (piezoelektrische Anregungselemente 405, 406, piezoelektrische Detektorelemente 407, 408) der beiden Vierkantpole bestehen. Jeder Fehler tritt als Vibration in dem Basisabschnitt 401 in Erscheinung.

Bei diesem, in Fig. 26 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Breite des linken Vierkantpoles 403 als 3,0 mm gewählt, und die Breite des rechten Vierkantpoles 404 ist als 2,7 mm gewählt. Das heißt, die Breite wird im Gegensatz zu der normalen Breite von 3,0 mm des Vierkantpoles um 10% in negative Richtung geändert, unter der Annahme, daß der Vierkantpol 404 der rechten Seite die Breite von 2,7 mm hat. Dann werden eine Anzahl von Experimenten mit einer vorbestimmten Basisabschnitt-Position 401, die als Punkt X bestimmt wird, durchgeführt.

Fig. 27 bis 31 veranschaulichen eine Beziehung zwischen der Amplitude des Basisabschnittes 401 und der Breite des Stützabschnittes A, wenn die Größe des piezoelektrischen Vibrationsgyroskops vom Typ einer viereckigen Stimmgabel geändert wird.

Hier wird, wie in Fig. 25 gezeigt, der Abstand, um den die Vierkantpole (Vibratoren) 403 und 404 voneinander entfernt sind mit W bezeichnet, die Breite der Vierkantpole 403 und 404 wird mit B bezeichnet, ihre Länge wird mit L bezeichnet, die Länge des Stützabschnitts wird mit C bezeichnet und die Länge des Wurzelabschnitts der Vierkantpole 403 und 404 wird mit D bezeichnet.

Fig. 27 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der Vibration in dem Basisabschnitt 401, welche die Vibration des Basisabschnittes 401 der Fig. 26 an dem Punkt X ist, und der Breite des Stützabschnittes A, wenn die Länge C des Stützabschnitts geändert wird.

Wie aus Fig. 27 hervorgeht, nimmt der Unterschied in der Amplitude mit einer Abnahme der Breite A des Stützabschnittes ab. Daher wird die Vibration stabilisiert, wenn die Breite A des Stützabschnittes abnimmt.

Fig. 28 veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Vibrator bei dem Punkt X des Basisabschnittes 401 und der Breite A des Stützabschnittes, wenn die Breite B der Vierkantpole 403 und 404 geändert wird.

Fig. 29 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der Amplitude an dem Punkt X des Basisabschnittes 401 und der Breite A des Stützabschnittes, wenn die Entfernung W geändert wird, um die die Vierkantpole 403 und 404 voneinander getrennt sind. Fig. 30 zeigt eine Beziehung zwischen der Vibration an einem Punkt X des Basisabschnittes 401 und der Breite A des Stützabschnittes, wenn die Länge L der Vierkantpole 403 und 404 geändert wird. Fig. 31 zeigt eine Beziehung zwischen der Vibration an dem Punkt X des Basisabschnittes 401 und der Breite A des Stützabschnittes, wenn die Länge D der Wurzelabschnitte der Vierkantpole 403 und 404 geändert wird.

Aus Fig. 27 bis 31 wird klar, daß die Amplitude an dem Punkt X des Basisabschnittes 401 von der Entfernung W, um welche die Vierkantpole 403 und 404 voneinander getrennt sind, der Länge L der Vierkantpole 403 und 404, der Länge D der Wurzelabschnitte der Vierkantpole 403 und 404 oder der Breite B der Vierkantpole und der Länge C des Stützabschnittes beeinträchtigt wird.

Wie oben beschrieben, wird festgestellt, daß die Amplitude des Basisabschnittes 401 mit einer Abnahme in der Breite A des Stützelementes abnimmt. Das heißt, die Breite A des Stützabschnitts ist ein Faktor, der die Amplitude des Basisabschnittes dominiert, und es wird gefunden, daß die Amplitude des Basisabschnittes mit einer Abnahme in der Breite A des Stützabschnittes abnimmt.

Fig. 32 veranschaulicht eine Beziehung zwischen den Temperaturdrift-Eigenschaften eines Nullpunktes und der Breite A des Stützabschnittes, welche für das Gyroskop wichtig ist.

Wie aus Fig. 32 hervorgeht, ist die Temperaturdrift klein und es werden gute Eigenschaften erzielt, wenn die Breite A des Stützabschnittes 402 klein ist, wie die Vibrationsergebnisse in dem Basisabschnitt 401.

Es wurde zudem festgestellt, daß ausreichende Temperaturdrift- Eigenschaften erhalten werden, wenn die Breite des Stützabschnittes kleiner als 5 mm ist. Wenn die Ergebnisse mit den Vibrationsergebnissen des Basisabschnittes 401 zusammengestellt werden, stimmt die Breite A des Stützabschnittes, die kleiner als 5 mm ist, damit überein, daß die Amplitude des Basisabschnittes 401 kleiner als 1,5% der Amplitude an der Spitze ist.

Es wird daher in Erwägung gezogen, daß ein Sensor mit guten Eigenschaften erhalten werden kann, wenn der Stützabschnitt so ausgebildet ist, daß die Amplitude des Basisabschnittes kleiner als 1,5% wird.

Aus Fig. 27 bis 31 wird leicht verständlich, daß die Abnahme der Breite A des Stützabschnittes eines der Mittel zum Erhalten eines Vibrationsgyrostaten mit guten Temperaturdrift- Eigenschaften ist.

In der Praxis wird jedoch durch die Herstellungsschritte für den Sensor eine Beschränkung auferlegt. Wenn die Dicke des Stützabschnittes 2 nicht erniedrigt werden kann, sollte die Form des Stützabschnittes 402 so ausgebildet werden, daß die Schwingung des Basisabschnittes 401 infolge des Vibrationsverlustes kleiner als 1,5% wird.

Wie oben beschrieben, ist die Form des Stützabschnittes 402 des Gyroskops vom Vibrationstyp so ausgestaltet, daß die Vibration in dem Basisabschnitt 401 kleiner als 1,5% wird, oder genauer gesprochen, daß die Breite des Stützabschnittes 402 kleiner als 5 mm wird, um ein sehr stabil schwingendes Gyroskop zu erhalten.

Gemäß diesem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Vibrator stabil unterstützt, wenn der Stützabschnitt 402 so ausgebildet wird, daß die Amplitude des Basisabschnittes 401, die durch die Schwingung der Vierkantpole 403 und 404, die von auf den Vierkantpolen 403 und 404 befestigten piezoelektrischen Anregungselementen 405 und 406 erzeugt werden, kleiner als 1,5% der Amplitude der Vierkantpole 403 und 404 werden, oder genauer gesprochen, wenn die Breite des Stützabschnittes 402 kleiner als 5 mm gewählt wird.

Das heißt, die Vibrationsenergie kann wirksam in der Stimmgabel eingeschlossen werden, selbst in dem Fall, in dem zwei Vierkantpole 403 und 404 (Vibratoren) aufgrund von Dimensionsfehlern verschiedene Größen aufweisen, welche während dem Herstellen des Gyroskops verursacht wurden. Daher nimmt der unerwünschte Vibrationsverlust ab, und die Rauscherzeugung wird unterdrückt. Zudem trägt eine Abnahme in dem unerwünschten Vibrationsverlust dazu bei, eine Vibrationsbedingung zu erzielen, welche gegen Temperaturänderung stabil ist, wodurch es möglich wird, die Temperatureigenschaften zu verbessern. Wie oben beschrieben, kann der Vibrator zuverlässig gehalten werden, selbst wenn er nicht im Gleichgewicht ist, und kann wirksam vibrieren, wobei nur ein geringer Vibrationsverlust auftritt.

(Zehntes Ausführungsbeispiel)

Der in dem zehnten Ausführungsbeispiel verwendete Winkelgeschwindigkeitssensor ist der gleiche wie der in Fig. 26 gezeigte. Im folgenden werden die Ergebnisse einer Vielzahl von Experimenten im Zusammenhang mit diesem Ausführungsbeispiel beschrieben.

Fig. 33 veranschaulicht eine Beziehung zwischen der Breite A des Stützabschnittes und dem Unterschied in der Amplitude bei den Spitzen der Vierkantpole (Vibratoren) 403 und 404. Der Unterschied in der Amplitude wird am kleinsten, wenn die Breite A des Stützabschnittes 3,0 mm beträgt. Es wird dadurch klar, daß die Vibration stabilisiert wird, wenn die Breite A des Stützabschnittes 3,0 mm beträgt.

Fig. 34 bis 40 veranschaulichen Beziehungen zwischen der Breite A des Stützabschnittes und dem Unterschied in der Amplitude an den Spitzen der Vierkantpole (Vibratoren) 403 und 404, wenn die Breite B der Vierkantpole (Vibratoren) 403 und 404 und die Länge C des Stützabschnittes geändert werden. Es ging daraus hervor, daß eine Positionsbeziehung existiert, die den Unterschied in der Amplitude an den Spitzen der Vierkantpole (Vibratoren) 403 und 404 minimiert.

Es wird nun angenommen, daß die Größen W, L und D die der Abschnitte des neunten Ausführungsbeispiels sind.

Fig. 34 zeigt eine Beziehung zwischen dem Unterschied in der Amplitude und der Breite A des Stützabschnittes, wenn die Breite B der Vierkantpole 403 und 404 geändert wird (um 10% in Richtung der negativen Seite in bezug auf die festgelegten Werte 1,5 mm, 3 mm, 5 mm geändert wird). Fig. 35 bis 37 zeigen Beziehungen zwischen dem Unterschied in der Amplitude und Breite A des Stützabschnittes, wenn die Länge C des Stützabschnittes 402 geändert wird. Geänderte Größen sind in den Zeichnungen gezeigt.

Von Fig. 34 bis 37 lernt man, daß der Unterschied in der Amplitude zwischen der rechten Seite und der linken Seite durch die Breite A des Stützabschnittes, die Breite B der Vierkantpole 403 und 404 und die Länge B der Stützabschnitte 402 geändert wird.

Fig. 38 zeigt eine Beziehung zwischen dem Unterschied in der Amplitude und der Breite A des Stützabschnittes, wenn die Entfernung W, um welche die Vierkantpole 403 und 404 voneinander getrennt sind, geändert wird. Fig. 39 zeigt eine Beziehung zwischen dem Unterschied in der Amplitude und der Breite A des Stützabschnittes, wenn die Länge L der Vierkantpole 403 und 404 geändert wird. Fig. 40 zeigt eine Beziehung zwischen dem Unterschied in der Amplitude und der Breite A des Stützabschnittes, wenn die Länge D der Wurzelabschnitte der Vierkantpole 403 und 404 geändert wird.

Den Fig. 38 und 39 kann entnommen werden, daß der Unterschied in der Amplitude zwischen der rechten Seite und der linken Seite durch den Abstand W, um welchen die Vierkantpole 403 und 404 voneinander beabstandet sind, von der Länge L der Vierkantpole 403 und 404 und von der Länge D der Wurzelabschnitte der Vierkantpole 403 und 404 nicht beeinträchtigt wird.

Fig. 41 zeigt minimale Unterschiede in der Amplitude unter den obengenannten Bedingungen. Die minimalen Werte werden gezeichnet, um die folgende Beziehung aufzustellen

A 0,4×C + B

wobei A die Breite des Stützabschnittes 402 (Millimeter), B die Breite der Vierkantpole 403, 404 (Millimeter), C die Länge des Stützabschnittes 402 (Millimeter) darstellen.

Es ist zudem wünschenswert, daß eine Beziehung

0,4×C + B-1 A 0,4×C + B + 1

erfüllt ist.

In der obigen Beziehung ist die Breite von 1 mm für (0,4×C +B) gegeben, so daß der Unterschied in der Amplitude kleiner als 10% an den Spitzen der Vierkantpole (Vibratoren) 403 und 404 wird.

Mit dem Stützabschnitt des Gyroskops vom Vibrationstyp entsprechend der obigen Ausgestaltung wird es möglich, ein Gyroskop mit einer hohen Vibrationsstabilität zu erlangen.

Das heißt, die Vibrationsenergie kann wirksam innerhalb der Stimmgabeln eingeschlossen werden, selbst wenn die Vierkantpole 403 und 404 (Vibratoren) unterschiedliche Größen aufgrund von Dimensionsfehlern haben, die während der Herstellung des Gyroskops eingeführt wurden. Daher nimmt der Vibrationsverlust ab, und Rauscherzeugung wird unterdrückt. Zudem trägt ein Abnehmen in dem unerwünschten Vibrationsverlust dazu bei, eine Vibrationsbedingung einzurichten, die gegen Temperaturänderungen stabil ist, und es ermöglicht, die Temperatureigenschaften zu verbessern. Wie oben beschrieben, kann der Vibrator zuverlässig gehalten werden, selbst wenn er nicht im Gleichgewicht ist, und kann zuverlässig vibrieren, wobei nur ein geringer Verlust auftritt.

Als nächstes wird die Beziehung zwischen der Empfindlichkeit und einem Unterschied Δf in der Resonanzfrequenz zwischen der Anregungsvibration und der Detektionsvibration unten beschrieben.

Die Empfindlichkeit wächst mit einer Abnahme in Δf. Fig. 43 zeigt eine Beziehung zwischen Δf und der Empfindlichkeit, wenn die Vierkantpole eine Dicke von 3 mm und eine Länge L von 35 mm in dem Winkelgeschwindigkeitssensor der Fig. 42 aufweisen.

Das heißt, die Empfindlichkeit kann mit einer Abnahme in Δf erhöht werden.

Jedoch hat eine Abnahme Δf die folgenden Probleme zur Folge.

• 1) Die Empfindlichkeit ist hoch, wenn der Unterschied Δf in der Resonanzfrequenz klein ist. Die Empfindlichkeit ändert sich oder der Versatz ändert sich jedoch leicht abhängig von einer Änderung in der Resonanzfrequenz, die von einer Temperaturänderung verursacht wird, und die Temperatureigenschaften werden verschlechtert.
• 2) Wenn die Winkelgeschwindigkeit periodisch ausgeübt wird oder wenn versucht wird, den Winkelgeschwindigkeitssensor zum Regeln der Lage eines Fahrzeuges zu verwenden, ist eine Reaktion von 0 bis ungefähr 40 Hz vom praktischen Standpunkt aus erforderlich. Die Reaktionseigenschaften weisen bei einem Punkt, bei dem die Winkelgeschwindigkeitsfrequenz fo und der Frequenzunterschied Δf zueinander gleich werden, ein Maximum auf.

Wie in Fig. 45 gezeigt, hat das Gyroskop, das eine Resonanzfrequenz erreicht hat, eine flache Reaktionscharakteristik. Wie in Fig. 45 gezeigt, muß Δf größer als 60 Hz sein, damit das Gyroskop flache Reaktionscharakteristiken bis zu einer Frequenz von 40 Hz aufweist.

Wie oben beschrieben, muß der Unterschied Δf in der Resonanzfrequenz größer als ein vorgegebener Wert sein und sollte konkret nicht größer als 60 Hz sein.

Wenn Δf zu groß ist, nimmt auf der anderen Seite die Empfindlichkeit ab. Konkret sollte daher Δf nicht größer als 200 Hz sein.

Um ein Gyroskop vom Stimmgabeltyp mit Vierkantpolen mit guten Eigenschaften zu erhalten, muß daher ein gewisser Unterschied in der Resonanzfrequenz zwischen der Anregungsvibration und der Detektionsvibration aufrechterhalten, welcher tatsächlich von ungefähr 60 bis ungefähr 200 Hz betragen kann.

Wie oben beschrieben, werden die Resonanzfrequenzen nicht in vollständige Übereinstimmung zwischen der Anregungsvibration und der Detektionsvibration gebracht, sondern ein gewisser Unterschied wird zwischen ihnen aufrechterhalten. Konkret sollte der Unterschied 60 bis 200 Hz betragen. Hier kann der Unterschied von 60 bis 200 Hz entweder ein positives Vorzeichen oder ein negatives Vorzeichen aufweisen. Als Ergebnis wird eine hohe Empfindlichkeit aufrechterhalten, da die Resonanzfrequenzen nahe beieinander zwischen der Anregungsvibration und der Detektionsvibration liegen. Zudem ist keine Feinjustierung zum Erhalten einer Resonanzfrequenz erforderlich, und die Herstellungskosten können gesenkt werden. Zudem wird ein Gyroskop mit guten Temperatureigenschaften verwirklicht, da die Resonanzfrequenz von einer Temperaturänderung nicht beeinträchtigt wird.

In dem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer Stützplatte vom Stimmgabeltyp, in dem zwei Vibrationsstücke mit viereckigem Querschnitt parallel zueinander angeordnet sind, sind die piezoelektrischen Anregungselemente zum Erzeugen von Biegevibration in den Vibrationsstücken und den piezoelektrischen Detektorelementen zum Messen von in den Vibratorstücken aufgrund der Coriolikraft erzeugter Spannung mit den Seitenflächen der Vibratorstücke in rechtem Winkel zueinander verbunden.

In dem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor werden jedoch die Druckspannung und die Zugspannung gleichzeitig in den piezoelektrischen Detektorelementen aufgrund der Biegevibration der Vibratorstücke erzeugt, und die folgenden Probleme entstehen.

Das heißt, wenn die piezoelektrischen Detektorelemente mit den Vibrationsstücken an symmetrischen Positionen bezüglich einer neutralen Biegevibrationsachse der Vibrationsstücke verbunden sind, werden die infolge der Druckspannung und der Zugspannung verursachten Offsetkomponenten an den Stellen gegenseitig gelöscht, an denen die piezoelektrischen Detektorelemente befestigt sind. In der Praxis werden jedoch Versatzspannungen von piezoelektrischen Detektorelementen aufgrund von Fehlern in den Positionen, an denen die piezoelektrischen Detektorelemente miteinander verbunden sind, von Unausgeglichenheiten in der Verbindung, von Abweichungen in der neutralen Biegevibrationsachse und dergleichen erzeugt. Daher wird die Genauigkeit zum Messen der Winkelgeschwindigkeit verschlechtert.

Um das obengenannte Problem zu lösen, haben die gegenwärtigen Erfinder ein Verfahren zum Justieren des Winkelgeschwindigkeitssensors geschaffen, welches in der Lage ist, die Genauigkeit der Winkelgeschwindigkeitsdetektion durch Erniedrigen der Versatzkomponenten von den piezoelektrischen Detektorelementen soweit wie möglich zu verbessern.

Das heißt, in einem Verfahren zum Justieren eines Winkelgeschwindigkeitssensors, welches die Biegevibration des Vibrators verwendet, die von piezoelektrischen Anregungselementen, welche auf dem Vibrator befestigt sind, erzeugt werden, wird die von den piezoelektrischen Detektorelementen erzeugte Spannung durch Entfernen eines Teils der Elektroden von den piezoelektrischen Detektorelementen justiert, welche die Winkelgeschwindigkeit messen und auf den Seitenflächen des Vibrators befestigt sind.

Das obige Verfahren entfernt einen Teil der Elektroden der piezoelektrischen Detektorelemente, die auf den Seitenflächen des Vibrators ausgebildet sind und mißt die Winkelgeschwindigkeit. Daher wird von den entfernten Abschnitten keine Spannung erzeugt und die von der Druckspannung und der Zugspannung erzeugten Versatzkomponenten werden an den Stellen gegeneinander ausgelöscht, an denen die piezoelektrischen Detektorelemente miteinander verbunden sind, wodurch es möglich wird, die Genauigkeit zum Messen der Winkelgeschwindigkeit zu erhöhen.

Das obige konkrete Beispiel wird nun als ein elftes Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben.

Fig. 47 ist eine Darstellung, die die Gesamtanordnung des Winkelgeschwindigkeitssensors veranschaulicht, an welchen das obenbeschriebene Ausführungsbeispiel angepaßt ist.

In Fig. 47 weist der Winkelgeschwindigkeitssensor 508 dieses Ausführungsbeispiels eine Platte 507 vom Stimmgabeltyp auf, in welchem zwei Vierkantpole 501 mit einem viereckigen Querschnitt parallel zueinander zugeordnet sind.

Mit den Vierkantpolen 501 sind piezoelektrische Detektorelemente 502, piezoelektrische Anregungselemente 503 und piezoelektrische Rückkopplungselemente 504 verbunden. In der Anordnung dieser piezoelektrischen Elemente (welche aus piezoelektrischen Elementen und Elektroden hergestellt sind) gemäß Fig. 47 sind die piezoelektrischen Detektorelemente 502 an oberen Abschnitten der Vorderfläche der Vierkantpole 501 angeordnet, und die piezoelektrischen Anregungselemente 503 sind an unteren Abschnitten der Außenflächen der Pole 501 angeordnet. Die piezoelektrischen Rückkopplungselemente 504 sind an Stellen oberhalb der piezoelektrischen Anregungselemente 503 angeordnet, so daß sie zu den piezoelektrischen Detektorelementen 502 in rechten Winkeln benachbart angeordnet sind.

Somit sind die piezoelektrischen Anregungselemente 503 so angebracht, daß sie in der Richtung Fv vibrieren, und die piezoelektrischen Detektorelemente 502 messen die von der Corioliskraft in der Richtung Fc erzeugte Spannung, die in der Vibratorplatte 501 erzeugt wird und die Erzeugung der Winkelgeschwindigkeit Ω begleitet. Wenn hier eine Anregungs-AC- Spannung den piezoelektrischen Anregungselementen 503 zugeführt wird, vibrieren die Vierkantpole 501 aufgrund der AC-Spannung in die Richtung Fv, wobei die piezoelektrischen Detektorelemente 502 in die Richtung Fv vibrieren.

In diesem Fall überwachen die piezoelektrischen Rückkopplungselemente 504 die Vibrationsbedingung in Richtung von Fv, die von den piezoelektrischen Anregungselementen 503 erzeugt wird, und regeln die AC-Spannung und die den piezoelektrischen Anregungselementen 503 zugeführte Frequenz, so daß die Vibrationsbedingung stabilisiert wird.

Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω unter dieser Bedingung erzeugt wird, wird die Corioliskraft in der Richtung Fc erzeugt, und die piezoelektrischen Detektorelemente 502 werden ebenfalls in die Richtung Fc gebogen. Zusammen mit der Biegebewegung erzeugen die piezoelektrischen Detektorelemente 502, die mit den Vierkantpolen 501 verbunden sind, kleine elektrische Signale, und ein Winkelgeschwindigkeitsmeßsignal, das durch Zusammenfügen (synthesizing) dieser kleinen elektrischen Signale gebildet wird, wird an einer ECU (elektronische Regeleinheit), die nicht gezeigt ist, herausgegeben.

In diesem Fall erzeugen die piezoelektrischen Detektorelemente 502 Offsetkomponenten 505 aufgrund von Fehlern in den Verbindungspositionen der piezoelektrischen Detektorelemente 502, Unausgeglichenheiten in der Verbindung und Abweichungen von der neutralen Biegevibrationsachse. Entsprechend sind selbst in dem Winkelgeschwindigkeits-Detektionssignal 506, das durch Verbinden von elektrischen Signalen erzeugt wird, Versatzkomponenten enthalten, und die Genauigkeit zum Messen der Winkelgeschwindigkeit wird verschlechtert.

Um die Versatzkomponente 505 zu erniedrigen, verwendet dieses Ausführungsbeispiel daher ein Verfahren zum Justieren des Winkelgeschwindigkeitssensors, welches im folgenden beschrieben wird. Das heißt, wenn die Vierkantpole 501 von den piezoelektrischen Anregungselementen 503 gebogen und in Schwingung versetzt werden, wird in dem Winkelgeschwindigkeitssensor 508, wie in Fig. 48(a) gezeigt, Spannung erzeugt.

Hier ist die Spannung in den Vierkantpolen 501 in der Richtung Fv symmetrisch bezüglich der Mittenlinie A verteilt, und die Spannung ist in der Fz- Richtung so verteilt, daß sie in Richtung der Wurzelabschnitte der Vierkantpole 501 (in Richtung der Stützplatte 507), wie in Fig. 48(c), zunimmt.

In dem Winkelgeschwindigkeitssensor 508 mit einer solchen Spannungsverteilung wird, wenn die piezoelektrischen Detektorelemente 502 mit den Vierkantpolen 501 an symmetrischen Positionen bezüglich der Mittenlinie A verbunden sind, die auf die piezoelektrischen Detektorelemente 502 in Richtung von Fv wirkende Spannung in der gleichen Ebene ausgelöscht, und keine Versatzkomponente wird von den piezoelektrischen Detektorelementen 502 erzeugt. Wenn die Position um Δy in Richtung von Fv aufgrund von Fehlern in den Befestigungspositionen oder dergleichen, wie in Fig. 48 gezeigt, abweicht, wird jedoch die in Richtung Fv auf die piezoelektrischen Detektorelemente 502 wirkende Spannung nicht in der gleichen Ebene ausgelöscht, und die piezoelektrischen Detektorelemente 502 erzeugen eine Versatzspannung Vout.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind daher Elektroden 502a, die die piezoelektrischen Elemente 502 bilden, teilweise durch Abgleichen (Beschneiden) entfernt, um elektrodenfreie Bereiche 502b zu bilden, um die Versatzkomponente 505 zu Null zu machen, während die Versatzspannung Vout, die von den piezoelektrischen Detektorelementen 502 unter 14774 00070 552 001000280000000200012000285911466300040 0002004334736 00004 14655der Bedingung, daß die Vierkantpole 501 aufgrund der piezoelektrischen Anregungselemente 503 gebogen und in Schwingung versetzt werden, herausgegeben wird, überwacht wird.

Die Beziehung zwischen der Versatzspannung Vout und dem Abgleichen der Elektroden 502a der piezoelektrischen Detektorelemente 502 wird im folgenden beschrieben.

Fig. 49 ist ein Diagramm von Eigenschaften, die experimentelle Ergebnisse hinsichtlich einer Beziehung zwischen der Positionsabweichung Δy der piezoelektrischen Detektorelemente 502 und dem Spannungsversatz Vout darstellen. In Fig. 49 stellt ein Symbol "Δ" experimentelle Daten dar, aus denen hervorgeht, daß die Versatzspannung Vout nicht nur von der Positionsabweichung Δy, sondern auch von Unstimmigkeiten in der Befestigung zwischen dem piezoelektrischen Detektorelement 2 und Vibratorplatte 1 beeinträchtigt wird, und daher unterliegt die Versatzspannung Vout bis zu einem gewissen Ausmaß Schwankungen. Jedoch wird die Beziehung näherungsweise eine gerade Linie C (eine unterbrochene Linie) in Fig. 49.

Um die Versatzspannung Vout zu Null zu machen, sollten daher die Elektroden 502a um doppelt so große Beträge wie die Ortsabweichung Δy abgeglichen werden, so daß die Positionsabweichung annähernd gleich dem Ursprung der Positionsabweichung Δy oder dem Ende der Vibratorplatte 501 von Fig. 47 als ein Zentrum ist.

Im folgenden wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die Versatzspannung Vout zu Null gemacht werden kann.

Fig. 50(a) und 50(b) sind Diagramme von Eigenschaften, die berechnete Werte und experimentelle Ergebnisse hinsichtlich einer Beziehung zwischen der Versatzspannung Vout und der Abgleichlänge z darstellen, wenn der Abgleich durchgeführt wird, während eine vorbestimmte Kerbenbreite W (W = 0,1 mm) aufrechterhalten wird, und Fig. 51 ist ein Diagramm von Eigenschaften, die experimentelle Ergebnisse hinsichtlich einer Beziehung zwischen der Versatzspannung Vout und der Kerbenbreite W darstellen, wenn der Abgleich durchgeführt wird, während eine vorbestimmte Abgleichlänge z (z = 13 mm) aufrechterhalten wird.

Der Winkelgeschwindigkeitssensor 508, der zum Erhalten der experimentellen Ergebnisse von Fig. 50 und 51 verwendet wird, wird von Vierkantpolen 501 gebildet, die 30 mm in der Länge und 3 mm×3 mm im Querschnitt aufweisen- und die piezoelektrischen Anregungselemente 503 und die piezoelektrischen Detektorelemente 502 betragen 13 mm in der Länge, 3 mm in der Breite und 0,2 mm in der Dicke. Die piezoelektrischen Anregungselemente 503 werden mit einer AC-Spannung von 2 V r.m.s. versorgt, und der Abgleich wird durch Verwendung eines YAG-Lasers durchgeführt.

Wenn die Elektroden 502a der piezoelektrischen Detektorelemente 502 nacheinander von der Seite der Stützplatte 507, wie in Fig. 50(a) gezeigt, abgeglichen (beschnitten) werden, nimmt die Spannung in Richtung der Wurzelabschnitte der Vierkantpole 501, wie in Fig. 48(b) gezeigt, zu, und die Änderungsrate in der Ausgangsspannung Vout wächst, wie in Fig. 50(b) gezeigt. Wenn die Kerbenbreite W aufeinanderfolgend, wie in Fig. 51 gezeigt, geändert wird, wird zudem die Versatzspannung Vout schrittweise erhöht.

Im folgenden wird ein Verfahren zum Justieren des Winkelgeschwindigkeitssensors auf der Grundlage von experimentellen Ergebnissen beschrieben.

Fig. 52 ist ein Flußdiagramm, das das Verfahren zum Justieren des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

In Fig. 52 führt ein Schritt S100 eine AC-Spannung den piezoelektrischen Anregungselementen 503 des Winkelgeschwindigkeitssensors 508 zu, um die Vierkantpole 501 in der Richtung Fv in Schwingung zu versetzen. Ein Schritt S110 mißt eine Versatzspannung Vout, die von den mit den Vierkantpolen 501 verbundenen piezoelektrischen Detektorelementen 503 erzeugt wird, und ein Schritt S120 unterscheidet, ob die Versatzspannung Vout Null ist oder nicht. Wenn die Versatzspannung Vout in diesem Moment bereits Null ist, bedeutet das, daß die piezoelektrischen Detektorelemente 502 mit den Vierkantpolen 501 in symmetrischen Positionen hinsichtlich der Mittenlinien A der Vierkantpole 501 (siehe Fig. 48(a)) verbunden sind, und das Justieren ist beendet.

Wenn in dem Schritt S120 unterschieden worden ist, daß die Versatzspannung Vout nicht Null ist, geht das Programm jedoch zu Schritt S130 weiter, wo der Abgleich für Elektroden 502a begonnen wird.

Von den oben erwähnten experimentellen Ergebnissen sollten in diesem Moment die Elektroden 502a von einem Punkt B auf der Seite der Stützplatte 507 in Richtung eines Punktes C auf der Seite des freien Endes der Vierkantpole 501 abgeglichen werden, wie in Fig. 50(a) gezeigt. Dann nimmt die Spannung in Richtung des freien Endes der Vierkantpole 501 ab, und der Änderungsbetrag in der Versatzspannung Vout nimmt ab, wobei es leicht wird, die Feinjustierung in der Endstufe der Justierung durchzuführen.

Fast synchron mit diesem Abgleich unterscheidet ein Schritt S140 wieder, ob die Versatzspannung Vout Null ist, oder nicht. Wenn die Versatzspannung Vout nicht Null ist, wie in Fig. 52 gezeigt, wird der Unterscheidungsprozeß des Schrittes S140 wiederholt, und der Abgleich wird fortgesetzt. Wenn die Versatzspannung Vout Null wird, geht das Programm weiter zu einem Schritt S150, wo das Abgleichen angehalten wird, und eine Reihe von Justierverfahren wird beendet.

Gemäß dem obenerwähnten Ausführungsbeispiel werden die auf den piezoelektrischen Detektorelementen 502 ausgebildeten Elektroden 502a durch Abgleichen (Beschneiden) oder ein ähnliches Verfahren entfernt, um elektrodenfreie Bereiche 502b zu bilden, die dazu dienen, die Versatzkomponente 505 zu erniedrigen. Somit wird die Versatzkomponente 505 justiert, ohne Änderungen in anderen Eigenschaften zu verursachen.

In dem obigen elften Ausführungsbeispiel wäre es schwierig, die Kerbenbreite W stark zu ändern, wenn das Abgleichen mittels eines Laserstrahls ausgeführt wird. Wenn das in Fig. 50 gezeigte Abgleichen von dem Punkt B bis zu dem Punkt C unzulänglich ist, können daher die Positionen mehr voneinander abweichen, um das Abgleichen von dem Punkt B bis zu dem Punkt C zu bewirken. Bezüglich der Abgleichrichtung braucht man das Abgleichen nicht durch nur eine Linie von dem Punkt B zu dem Punkt C durchzuführen, sondern man kann statt dessen die Versatzspannung Vout grob durch ein erstes Abgleichen (Beschneiden) justieren, z. B. in der Nähe des Punktes B und dann die Nähe des Punktes C abgleichen, um eine Feinjustierung zu erlangen.

Das Abgleichen (Beschneiden) kann durch Verwendung von Mitteln wie Schleifen/Zerreiben und Sandstrahlen bewirkt werden.

Obwohl das obige Ausführungsbeispiel einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem Stimmgabelaufbau betrifft, kann die Erfindung auch für einen Winkelgeschwindigkeitssensor vom Abgleichstück-Typ mit nur einem Vierkantpol 501 verwendet werden.

(Zwölftes Ausführungsbeispiel)

Das zwölfte Ausführungsbeispiel betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der der gleiche ist, wie derjenige, der in dem elften Ausführungsbeispiel verwendet wird, und der Unterschied besteht nur in der Abgleichjustierung.

In dem zwölften Ausführungsbeispiel wird insbesondere die Tatsache berücksichtigt, daß die Versatzspannung positive und negative Polaritäten, wie in Fig. 49 gezeigt, aufweist, und daß die Versatzspannung der Abweichrichtung in den Positionen, bei denen die piezoelektrischen Elemente befestigt sind, entspricht.

In dem zwölften Ausführungsbeispiel wird daher zu der Zeit zum Justieren der Versatzspannung Vout unterschieden (discriminiert), in welche Richtung die piezoelektrischen Detektorelemente 502 abweichen, und die Elektroden 502a der piezoelektrischen Detektorelemente 502 der Abweichseite werden mittels eines Laserstrahls oder dergleichen abgeglichen (beschnitten).

In dem zwölften, in Fig. 53(a) und 53(b) gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Richtung, in welche die piezoelektrischen Detektorelemente 602 abweichen, durch Überwachen der Signale von den piezoelektrischen Rückkopplungselementen unterschieden, d. h. durch Unterscheiden der Polarität der Versatzspannung Vout. Das heißt, wenn das Signal der Versatzspannung Vout einen Phasenunterschied von dem des Rückkopplungssignals hat, werden die linken Abschnitte T1 der Elektroden der piezoelektrischen Detektorelemente 602 wie in Fig. 53(a) abgeglichen, und wenn das Signal der Versatzspannung Vout in Phase mit dem Rückkopplungssignal ist, werden die rechten Abschnitte T2 der Elektroden der piezoelektrischen Detektorelemente 602, wie in Fig. 53(b) gezeigt, abgeglichen.

Fig. 54 ist ein Flußdiagramm des zwölften Ausführungsbeispiels, in dem ein Schritt S135 zum Unterscheiden der Polarität der Versatzspannung Vout dem Flußdiagramm des elften Ausführungsbeispiels, das in Fig. 52 gezeigt ist, hinzugefügt wird. Das Hinzufügen des Schrittes S135 ermöglicht es, das Abgleichen wirkungsvoller durchzuführen.

(Dreizehntes Ausführungsbeispiel)

In dem zwölften Ausführungsbeispiel wird die Polarität der piezoelektrischen Detektorelemente 602 durch Unterscheiden der Phasen der Versatzspannung und der Rückkopplungsspannung unterschieden. In den in Fig. 55(a) und 55(b) gezeigten Ausführungsbeispielen kann die in dem zwölften Ausführungsbeispiel durchgeführte Polaritätsunterscheidung weggelassen werden durch:

• 1) Entfernen des piezoelektrischen Detektorelementes 702 in einer Richtung von dem Zentrum für alle Zeiten; und
• 2) Befestigen der Elektroden auf den piezoelektrischen Detektorelementen 702 an Positionen, von denen sie anfänglich entfernt wurden.

Das heißt, in dem obigen, in Fig. 55(a) gezeigten Fall (1) werden die piezoelektrischen Detektorelemente 702 befestigt, wobei sie in Richtung der Außenseite ausgerückt werden, so daß die abzugleichenden Positionen zu jeder Zeit an der Außenseite sind.

In dem obigen, in Fig. 55(b) gezeigten Fall (2) werden die Elektroden 702a der piezoelektrischen Detektorelemente 702 anfänglich nach außen verschoben, so daß die abzugleichenden Positionen der Elektroden 702a zu jeder Zeit an der Außenseite befestigt sind.

(Vierzehntes Ausführungsbeispiel)

Das vierzehnte Ausführungsbeispiel betrifft ein Abgleichmuster im Detail.

Um eine große Versatzspannung Vout mittels Laserabgleich anzupassen, muß das Abgleichen mehrmals von einem Ende E1 bis zu einem Ende E2 der Elektroden 802a der piezoelektrischen Detektorelemente wiederholt werden.

In dem Fall des Abgleichmusters T3 der Fig. 56(a) kann das Meßsignal eine Versatzspannung Vof aufweisen, die von der verbleibenden Elektrode aufgrund von Migration oder einer auf dem Abgleichbereich aufgebrachten elektrisch leitenden Substanz erzeugt werden, bis die Elektroden 802a vollständig entfernt sind.

Um das obengenannte Problem zu verhindern, kann daher ein Trimmuster T4, wie in Fig. 56(b) gezeigt, verwendet werden, bei dem die Elektrode 802a nicht von dem Ende E1 bis zu dem Ende E2 weggeschnitten ist, sondern wenigstens ein Ende E1 oder E2 verbleibt.

Wie in Fig. 56(c) gezeigt, kann ein Muster des vollständigen Abgleichs T5 verwendet werden, in welchem keine Elektrode 802a auf der Seitenfläche verbleibt.

(Fünfzehntes Ausführungsbeispiel)

Das fünfzehnte Ausführungsbeispiel betrifft ein Abgleichverfahren, das eine Änderung in dem betrachteten Zeitablauf berücksichtigt.

Das heißt, in einem Verfahren, das Abgleichen unter der Verwendung eines Laserstrahls bewirkt, um den Elektroden eine hohe Temperatur zuzuführen, wird die Polarisation der piezoelektrischen Elemente aufgrund der Wärme verschlechtert.

Jedoch wird die Polarisation, die verschlechtert ist, mit dem Zeitablauf aufgrund der Wiederherstellungswirkung der Polarisation, die einem ferroelektrischen Material innewohnt, wiederhergestellt. Daher ändert sich die Versatzspannung Vout mit dem Zeitablauf in Richtung der Spannung vor dem Abgleichen.

Wenn Justierung von einem Niveau, bei dem der Betrag der Änderung mit dem Zeitablauf ein Problem werden könnte, erforderlich ist, wird das Abgleichen dann durch Berücksichtigen des Änderungsbetrages mit dem Zeitablauf bewirkt, um einen Sensor zu schaffen, der stabilisiert ist.

Fig. 57 veranschaulicht eine Änderung mit dem Zeitablauf. Die piezoelektrischen Elemente sind die gleichen wie die piezoelektrischen Detektorelemente des elften Ausführungsbeispiels.

Wie aus Fig. 57 hervorgeht, wird das piezoelektrische Element stufenweise mit dem Zeitablauf von einem Punkt Y direkt nach dem Abgleichen wiederhergestellt, und die Versatzspannung nähert sich Null. Die Versatzspannung wird schließlich als ΔVt gespeichert.

Beim Durchführen des Abgleiches, bei dem die Änderung ΔVt mit dem Zeitablauf berücksichtigt wird, kann die Versatzspannung mit dem Zeitablauf Null angenähert werden.

Das obige Ausführungsbeispiel hat die Wiederherstellungswirkung der piezoelektrischen Elemente verwendet, um die Änderung mit dem Zeitablauf zu erniedrigen. Es ist jedoch zulässig, die Änderung der Versatzspannung Vout mit dem Zeitablauf durch Abgleichen der Aluminiumelektroden mit niedrigem Schmelzpunkt zu erniedrigen, und so die Wärmeerzeugung zu unterdrücken und die Polarisationsverschlechterung zu unterdrücken.

Claims (16)

1. Winkelgeschwindigkeitssensor mit:
mindestens einem vierkantartigen Vibrator (1);
einem piezoelektrischen Anregungselement (6, 7), das auf einer Oberfläche des Vibrators (1) befestigt ist;
und ein piezoelektrisches Detektorelement (8, 9), das auf einer rechtwinklig zu der Fläche, auf welcher das piezoelektrische Anregungselement (6, 7) befestigt ist,
angeordneten Fläche des Vibrators (1) befestigt, wobei das piezoelektrische. Detektorelement (8, 9) in der axialen Richtung des Vierkantpoles (3, 4) so versetzt ist, daß es das piezoelektrische Anregungselement (6, 7) nicht überschneidet.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor mit:
wenigstens einem vierkantpolartigem Vibrator (1), der von einem Basisabschnitt (2) über einen Stützabschnitt (5) gestützt ist;
einem piezoelektrischen Anregungselement (6, 7), das an einer Position nahe dem Stützabschnitt (5) des Vibrators (1) angeordnet ist; und
einem piezoelektrischen Detektorelement (8, 9), das auf einer rechtwinklig zu der Fläche, auf welcher das piezoelektrische Anregungselement (6, 7) befestigt ist, angeordneten Fläche des Vibrators (1) befestigt ist, wobei das piezoelektrische Detektorelement (8, 9) in der axialen Richtung des Vierkantpoles in Richtung der der Seite des Stützabschnittes (5) gegenüberliegenden Seite verschoben ist, so daß es das piezoelektrische Anregungselement (8, 9) nicht überschneidet.

3. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Vibratoren der Form der Vierkantpole (3, 4) parallel zueinander angeordnet sind und auf einem gemeinsamen Stützabschnitt (5) befestigt sind.

4. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrisches Detektorelement (6, 7) zwischen einer Vielzahl von piezoelektrischen Anregungselementen (6, 7), die so angeordnet sind, daß sie eine geeignete Entfernung entlang der Längsachsenrichtung der vierkantpolartigen Vibratoren (3, 4) aufweisen, angeordnet ist, wobei die Fläche der vierkantpolartigen Vibratoren (3, 4), auf denen die piezoelektrischen Anregungselemente (6, 7) angeordnet sind, von der Fläche der vierkantpolartigen Vibratoren (3, 4), auf welcher die piezoelektrischen Detektorelemente (8, 9) angeordnet sind, verschieden sind.

5. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrisches Anregungselement (8, 9) zwischen einer Vielzahl von piezoelektrischen Detektorelementen (8, 9), die derart angeordnet sind, daß sie eine geeignete Entfernung entlang der Längsachsenrichtung der vierkantpolartigen Vibratoren (3, 4) aufweisen, angeordnet ist, wobei die Fläche der vierkantpolartigen Vibratoren (3, 4), auf denen die piezoelektrischen Anregungselemente (6, 7) angeordnet sind, von der Fläche der vierkantpolartigen Vibratoren (3, 4), auf welcher die piezoelektrischen Detektorelemente (8, 9) angeordnet sind, verschieden sind.

6. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden von mindestens einigen piezoelektrischen Elementen (6, 7, 8, 9) auf der Außenfläche des vierkantpolartigen Vibrators (1) teilweise beschnitten sind.

7. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige piezoelektrische Detektorelemente (8, 9) auf der Außenfläche des vierkantartigen Vibrators (1) teilweise beschnitten sind.

8. Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem piezoelektrischen Vibratinsgyroskop vom Typ einer Vierkantpol-Stimmgabel, bei dem zwei Vierkantpole (3, 4) von einem Basisabschnitt (2) über einen Stützabschnitt (5) von der Form eines Vierkantpoles gestützt werden, und piezoelektrische Anregungselemente (6, 7) und piezoelektrische Detektorelemente (8, 9) auf den in einem rechten Winkel zusammentreffenden Flächen der Vierkantpole (3, 4) befestigt sind, wobei die Vibration in dem Basisabschnitt (2) kleiner als 1,5% der Vibration in den Vierkantpolen beträgt, welche von den darauf befestigten piezoelektrischen Elementen (8, 9) erzeugt wird.

9. Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem piezoelektrischen Vibrationsgyroskop vom Typ einer Vierkantpol-Stimmgabel, in der zwei quadratische Pole (3, 4) von einem Basisabschnitt (2) über einen Stützabschnitt (5) von der Form eines Vierkantpoles gestützt wird, und piezoelektrische Anregungselemente (6, 7) und piezoelektrische Detektorelemente (8, 9) auf den Flächen der Vierkantpole (3, 4), die in einem rechten Winkel zusammentreffen, angeordnet sind, wobei der Stützabschnitt (5) eine Breite von weniger als 5 mm aufweist.

10. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Stützabschnittes (5) fast die gleiche ist, wie die Dicke der Vierkantpole (3, 4).

11. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Stützabschnittes (5) im Bereich von weniger als 5 mm aber mehr als 0,5 mm liegt.

12. Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem piezoelektrischen Vibrationsgyroskop vom Typ einer Vierkant-Stimmgabel, in welchem zwei Vierkantpole (3, 4) von einem Basisabschnitt (2) über einen Stützabschnitt (5) von der Form eines Vierkantpoles gestützt werden, und piezoelektrische Anregungselemente (6, 7) und piezoelektrische Detektorelemente (8, 9) auf den in einem rechten Winkel aufeinandertreffenden Flächen der Vierkantpole (3, 4) befestigt sind, wobei die Breite des Stützabschnitts (5) A Millimeter beträgt, die Breite der Vierkantpole (3, 4) B Millimeter beträgt und die Länge des Stützabschnittes (5) C Millimeter beträgt, wobei eine Beziehung A 0,4×C + Berfüllt ist.

13. Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem piezoelektrischen Vibrationsgyroskop vom Typ einer Vierkant-Stimmgabel, in welchem zwei Vierkantpole (3, 4) von einem Basisabschnitt (2) über einen Stützabschnitt (5) von der Form eines Vierkantpoles gestützt Werden, und piezoelektrische Anregungselemente (6, 7) und piezoelektrische Detektorelemente (8, 9) auf den in einem rechten Winkel aufeinandertreffenden Flächen der Vierkantpole (3, 4) befestigt sind, wobei die Breite des Stützabschnitts (5) A Millimeter beträgt, die Breite der Vierkantpole (3, 4) B Millimeter beträgt und die Länge des Stützabschnittes (5) C Millimeter beträgt, wobei eine Beziehung 0,4×C + B-1 A 0,4×C + B + 1erfüllt ist.

14. Verfahren zum Justieren eines Winkelgeschwindigkeitssensors mit den Eigenschaften des Anspruchs 1, bei dem Biegevibrationen von auf Vibratoren vorgesehenen piezoelektrische Elemente verwendet werden, wobei Elektroden der auf den Vibratoren ausgebildeten piezoelektrischen Elemente teilweise entfernt werden, um die von den piezoelektrischen Elementen erzeugte Ausgangsspannung zu justieren.

15. Verfahren zum Justieren eines Winkelgeschwindigkeitssensors mit den Eigenschaften des Anspruchs 1, bei dem Biegevibrationen von Vibratoren verwendet werden, die von auf den Vibratoren ausgebildeten piezoelektrischen Anregungselementen (6, 7) erzeugt werden, wobei Elektroden der piezoelektrischen Detektorelemente (8, 9), die auf einer Seitenfläche des Vibrators zum Messen der Winkelgeschwindigkeit ausgebildet sind, teilweise entfernt sind, um die von den piezoelektrischen Detektorelementen (8, 9) erzeugten Ausgangsspannungen zu justieren.

16. Verfahren zum Justieren eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche zum Entfernen der Elektroden der piezoelektrischen Detektorelemente durch Diskriminieren der Polaritäten der piezoelektrischen Elemente spezifiziert werden.