DE69010609T2

DE69010609T2 - Vibrationskreisel.

Info

Publication number: DE69010609T2
Application number: DE69010609T
Authority: DE
Inventors: Kokichi C O Akai Elec Terajima
Original assignee: Akai Electric Co Ltd
Current assignee: Akai Electric Co Ltd
Priority date: 1989-10-03
Filing date: 1990-10-04
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2010-10-05
Also published as: DE69010609D1; DE421398T1; EP0421398B1; US5386726A; EP0421398A1

Description

1. HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationskreisel, der die Coriolis-Kraft für den Zweck der Erfassung einer Winkelgeschwindigkeit aufnimmt.
Fig. 13 stellt ein Beispiel eines üblichen Vibrations-Gyroskops in dem XYZ-Koordinatensystem dar.
Diese Art von Kreisel umfaßt eine Metallstimmgabel 7, die an einer Grundplatte 9 über ein Stützteil 8 befestigt ist und ein Aufnahmeteil 10, das von dem Grundteil 6 in Richtung der X-Achse absteht. Die Stimmgabel ist monolithisch ausgebildet durch ein Grundteil 6 und zwei Arme 4 und 5, wobei die beiden Arme 4 und 5 sich parallel in Richtung der Z-Achse erstrecken und einen gewissen Abstand in Richtung der Y-Achse voneinander haben von dem Grundteil 6 am jeweils unteren Ende.
Bei dem beschriebenen Vibrationskreisel ist es bekannt, daß eine Coriolis-Kraft Fc in jedem der Armteile 4 und 5 in zueinander entgegengesetzt liegender Richtung langs der X-Achse erzeugt wird, wenn die Armteile 4 und 5 symmetrisch mit der Geschwindigkeit V in Richtung der Y-Achse in Vibration versetzt werden mittels piezoelektrischer oder magnetischer Elemente, d.h. Anlegen von Wechselströmen an die piezoelektrischen Keramikteile 11 und 12 und gleichzeitig die Stimmgabel 7 und die Z-Achse mit der Winkelgeschwindigkeit ω gedreht wird.
Da die Geschwindigkeit V der Armteile 4 und 5 sich abwechselnd ändert, ist die erzeugte Coriolis-Kraft die Kraft, die durch die Anzahl von Schwingungen der Armteile 4 und 5 moduliert wird. Die Stimmgabel 7 vibriert verdrehend um die Z-Achse bezüglich der Grundplatte 9, wobei der Verdreh- oder Torsionswinkel proportional zu der Coriolis-Kraft ist, die wiederum proportional zur Winkelgeschwindigkeit ist.
Dieses herkömmliche Gerät erfaßt die Größe der Torsionsschwingung durch piezoelektrische oder magnetische Elemente unter Benutzung des in Richtung der X-Achse vorstehenden Aufnahmeteils 10. Im Falle der Erfassung durch piezoelektrische Elemente wird die Torsionsschwingung der Stimmgabel 7 durch Biegevibrationen über das Aufnahmeteil 10 entwickelt und bimorphe Elemente an dem Aufnahmeteil 10 erzeugen elektrische Ladungen gemäß der Größe der Ausbiegung, welche elektrische Ladungen als elektrische Spannung extrahiert werden.
Bei solchen Systemen nach dem Stand der Technik besteht jedoch die Möglichkeit, daß eine Schwingung der Anteile 4 und 5 unerwünschte Vibration des Grundteils 6 in Richtung der Y-Achse infolge einer Unausgeglichenheit von Gewicht und Länge der beiden Armteile 4 und 5 erzeugt und dadurch das Aufnahmeteil 10 veranlaßt, unerwünschte Erfassungssignale einschließlich Versätzen zu erzeugen, welche Versätze nicht nur eine erfaßte Coriolis-Kraft darstellen, trotz der Tatsache, daß die Winkelgeschwindigkeit Null ist, sondern auch das Signal/Rausch-Verhältnis der Erfassungssignale und die Ansprechempfindlichkeit des gesamten Kreiselsystems absenken.
Gemäß einem herkömmlichen Verfahren zum Herabsetzen derartiger Versätze wird eine Messung des Versatzsignalpegels vor dem Betrieb des Gyroskop-Systems ausgeführt und der erfaßte Signalpegel während des Betriebs des Kreiselsystems wird dann einer Korrektur aufgrund des gemessenene Versatz-Signalpegels unterworfen. Insbesondere werden vor dem Anlegen einer Winkelgeschwindigkeit auf das Kreiselsystem die Ausgangssignale des Aufnahmeteils 10 erfaßt durch einen Synchrondetektor und dann über einen Gleichrichter zu Gleichstrom gleichgerichtet. Da der Pegel derartiger Gleichstromsignale den Versatzpegel darstellt, wird der Erd- oder Massepegel der erfaßten Signale geändert aufgrund des Pegels derartiger Gleichströme, so daß die Versatzwerte ausgeglichen werden können. Es hat sich jedoch als im wesentlichen unvermeidbar bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik erwiesen, diese Versatzwerte ausreichend und wirksam zu reduzieren, infolge des Nachteils, daß die Empfindlichkeit des Aufnahmeteils 10 leicht fluktuiert in Abhängigkeit von der Temperatur an dem Ort, wo der Kreisel eingesetzt wird.
Zusätzlich hat das Aufnahmeteil 10 nach dem Stand der Technik mit seinem Vorstehen in Richtung der X-Achse inhärente Nachteile wegen seines komplizierten Aufbaues, der Größe und der Kostenträchtigkeit.
Aus US-A-4 703 655 ist ein Kreisel bekannt, der eine Stimmgabel und einen Erfassungsabschnitt zum Erfassen des durch die Coriolis-Kraft erzeugten Momentes besitzt. Der Erfassungsabschnitt ist gebildet aus einem rechteckförmigen Gelenk, wobei ein Paar piezoelektrischer Elemente an dem Gelenk befestigt ist. Das Gelenk erstreckt sich mit seinem piezoelektrischen Elementen in einer zur Drehachse senkrechten Richtung.
EP-A-0 298 511 offenbart einen Kreisel nach dem Stand der Technik mit einem H-förmigen Vibrator und einem Stützstab, der sich in einer zur Drehachse senkrechten Richtung erstreckt. Piezoelektrische Elemente sind an dem Stützstab vorgesehen. Da die vorher erwähnten Kreisel nach dem Stand der Technik Stützteile besitzen, die sich in einer zur Drehachse senkrechten Richtung erstrecken, bekommen die Kreisel nach dem Stand der Technik eine erhöhte Größe und sich kompliziert im Aufbau.
Dementsprechend ist es das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, einen neuen Vibrationskreisel zu schaffen mit verbessertem Verhalten im Hinblick auf die Erfassungs-Empfindlichkeit.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen neuen Vibrationskreisel mit verringert er Größe und vereinfachtem Aufbau zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Vibrationskreisel zu schaffen mit verringerten Versätzen in seinen Ausgangssignalen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Vibrationskreisel mit einem verbesserten Signal/Rausch- Verhältnis in seinen Ausgangssignalen zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Vibrationskreisel mit verbesserter Herstellwirksamkeit zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Vibrationskreisel mit einem verbesserten Herstellvorgang zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Vibrationskreisel mit verringerten Herstellkosten zu schaffen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Vibrationskreisel mit größerer Größen- und Gewichtstoleranz der Armteile der Stimmgabel zu schaffen.

2. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese und andere Ziele werden erreicht mittels der vorliegenden Erfindung, die ein Vibrationskreisel-System umfaßt, das zur Erfassung von Coriolis-Kraft an einem Abschnitt befähigt ist, der eine Stimmgabel desselben trägt.
In der ersten Art von Ausführungen arbeitet ein Stützteil einer Stimmgabel, die aus piezoelektrischem Material besteht durch sich selbst als Aufnahmeteil.
In der zweiten Art von Ausführungen ist ein unabhängiges Stützteil vorgesehen, bei dem mindestens ein Aufnahmeteil befestigt ist zum Erfassen eines Torsionsmoments des Stützteils.
Um Erfassungssignale von dem so geschaffenen Aufnahmeteil zu erhalten, wird das piezoelektrische Material des Aufnahmeteils in Richtung der Z-Achse polarisiert und die Elektroden des Aufnahmeteils sind parallel zur Z-Achse angesetzt, wobei mindestens eine Elektrode seitlich von der Richtung senkrecht zur Z-Achse positioniert ist.

3. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführung eines Vibrationskreisels nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Darstellung einer ersten Ausführung eines Aufnahmeteils zur Verwendung bei der ersten Ausführung des Vibrationskreisels.
Fig. 3 ist eine Darstellung einer zweiten Ausführung eines Aufnahmeteils zur Verwendung in der ersten Ausführung des Vibrationskreisels.
Fig. 4 ist eine Darstellung einer dritten Ausführung eines Aufnahmeteils zur Verwendung in der ersten Ausführung des Vibrationskreisels.
Fig. 5 ist eine Darstellung einer vierten Ausführung eines Aufnahmeteils zur Verwendung in der ersten Ausführung des Vibrationskreisels.
Fig. 6 ist eine Frontansicht eines Vibrationskreisels, die den Einfluß der Unausgeglichenheit der beiden Armteile der Stimmgabel darstellt.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführung eines Vibrationskreisels nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführung eines Vibrationskreisels nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist eine Darstellung einer fünften Ausführung eines Aufnahmeteils zur Verwendung in der dritten Ausführung des Vibrationskreisels.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführung eines Vibrationskreisels nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 11 ist eine Darstellung einer sechsten Ausführung eines Aufnahmeteils zur Verwendung in der vierten Ausführung des Vibrationskreisels.
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführung des Vibrationskreisels nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Vibrationskreisels nach dem Stand der Technik.
Fig. 14 bis 17 sind Darstellungen zum Erklären des Prinzips und des Betriebs der vorliegenden Erfindung.

4. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGEN

Fig. 14 stellt ein säulenartiges Teil 14 dar, das von der Stütze 13 in Richtung der Z-Achse absteht und als rechtwinkliges Parallelepiped (Quader) geformt ist. Unter der Annahme, daß die Schnittgröße des Teils 14 2b x 2h ist, wird die Scherspannung an einem willkürlichen Punkt P(u, w) mit Beziehung auf die Richtung der U-Achse Tw und der W-Achse Tu wie folgt gegeben:
Dabei wird, wenn die Spannung T und das elektrische Feld E an piezoelektrischem Material angelegt sind, die darin erzeugte elektrische Versetzung D allgemein ausgedrückt durch die folgende Gleichung:
wobei d&sub1;&sub1;-d&sub3;&sub6; und &epsi;&sub1;&sub1;-&epsi;&sub3;&sub3; jeweils piezoelektrische bzw. dielektrische Konstanten darstellen.
Im Falle, daß das piezoeiektrische Material Bleizirkonat- Titanat und nur die Spannung T angelegt ist, kann die vorstehende Gleichung wie folgt ausgedrückt werden:
wobei die Spannung T&sub1;-T&sub6; in die in Fig. 16 und 17 gezeigte Richtung angelegt wird und das piezoelektrische Material in Richtung der drei Achsen so polarisiert wird, wie durch den Pfeil dargestellt.
Die vorstehende Gleichung bedeutet, daß die elektrische Verschiebung D&sub1; in Richtung der 1-Achse gegeben ist als:
D&sub1; = d&sub1;&sub5;T&sub5;, (5)
wenn eine Elektrode an der Oberfläche senkrecht zur 1-Achse vorgesehen ist. Das bedeutet, daß eine solche Ausgestaltung als ein Aufnahmeteil arbeitet und elektrische Ladungen erzeugt bezüglich T&sub5;, der Scherspannung nur um die 1-Achse und ohne Empfindlichkeit bezüglich der Spannung von anderen Richtungen, T&sub1;, T&sub2;, T&sub3;, T&sub4;, T&sub6;.
Dementsprechend wird unter der Annahme, daß das säulenartige Teil 14 nach Fig. 14 ein in Richtung der Z-Achse polarisiertes piezoelektrisches Material ist, die elektrische Verschiebung am Punkt P(u, w) unter Benutzung der Gleichungen (1), (2) und (5) wie folgt gegeben:
wobei Dw und Du elektrische Verschiebungen in Richtung der U-Achse bzw. der W-Achse sind.
Wie in Gleichungen (1), (2), (6) und (7) gezeigt, besitzen jeweilige Scherspannungen τw, τu wie auch die jeweilige elektrische Verschiebung Dw, Du zueinander entgegengesetzte Polaritat in dem ersten bzw. dem dritten Quadranten 15 bzw. 17 oder in dem zweiten bzw. vierten Quadranten 16 und 18. Das bedeutet, daß keine elektrische Verschiebung Dw entsteht und daß deswegen keine elektrische Ladung erzeugt wird, falls die Elektroden nur auf der gesamten Fläche von u&sub1; und u&sub2; in Fig. 15 ausgebildet sind, die senkrecht zur U-Achse liegen. In gleicher Weise wird keine elektrische Ladung erzeugt, falls die Elektroden nur auf der Gesamtfläche von w&sub1; und w&sub2; ausgebildet sind, die senkrecht zur Richtung der W-Achse liegen.
Bei dem ersten Typ von Ausführungen nach der vorliegenden Erfindung wirkt ein Stützteil einer Stimmgabel selbst als Aufnahmeteil und mindestens eine der Elektroden, die an den einander gegenüber zur Z-Achse parallel liegenden Seiten vorgesehen sind, ist seitlich der zu der Z-Achse senkrechten Richtung positioniert, so daß elektrische Ladungen durch das Auftreten elektrischer Verschiebung erzeugt werden können, z.B. wenn mindestens eine an der Fläche w&sub1;, w&sub2; vorgesehenen Elektroden seitlich der Fläche u&sub1; oder u&sub2; positioniert ist. Mehr bevorzugt werden Elektroden seitlich vom Zentrum der Fläche w&sub1; oder w&sub2; ausgebildet zum Zwecke der wirksamen Erzeugung elektrischer Verschiebung Du.
In den Figuren dieser Beschreibung werden Identische Bezugszeichen benutzt bezüglich Abschnitten, die denen nach dem Stand der Technik gleichartig sind,
Nach Fig. 1 besteht eine Stimmgabel 7 aus zwei Armteilen 4 und 5, und einem Grundteil 6, von dem die Armteile 4 und 5 parallel in der Richtung der Z-Achse abstehen und einen gewissen Abstand in Richtung der Y-Achse besitzen, und jedes untere Ende der Armteile 4 und 5 stößt monolithisch an das Grundteil 6 an. Von der unteren Fläche des Grundteils 6 steht ein Aufnehmerteil 21 ab, wobei dessen Ende an dem Stützteil 9 befestigt ist.
Das so aufgebaute Vibrations-Gyroskop oder der so aufgebaute Vibrationskreisel besitzt einen Vorteil darin, daß die Auslegung des Aufnahmeteils 21, das gleichzeitig als Stützteil 9 nach dem Ausführungsbeispiel des Standes der Technik dient, nicht nur die Herstellung und Struktur desselben vereinfacht, sondern auch seine Größe und Kosten herabsetzt. Weiter verhindert der erfindungsgemäße Kreisel wirksam eine unerwünschte Schwingung in Richtung der Y-Achse infolge unausgeglichenem Gewicht und unausgeglichener Länge der beiden Armteile, die Einfluß auf das Erfassungssignal nehmen können, ohne bestimmtes Signalbearbeitungsmittel, wodurch die Erfassungs-Empfindlichkeit verbessert wird, da das Aufnahmeteil 21 ein durch Coriolis-Kraft entstehendes Torsionsmoment Mt an demselben entdeckt.
Fig. 2 stellt das Aufnahmeteil 21 mit dem UWZ-Koordinatensystem dar. Zum Erfassen des Torsionsmoments Mt besteht das Aufnahmeteil 21 aus einem piezoeiektrischen Material, das in Richtung der Z-Achse polarisiert ist, wobei die Elektroden 19 und 20 jeweils an den zur W-Achsen senkrechten Flächen w&sub1; und w&sub2; vorgesehen sind, die anschließend an eine der zur U-Achse senkrechten Flächen u&sub1;, u&sub2;, z.B. hier an u&sub1;, angeordnet sind,. Mit diesem Aufbau ist es möglich, aus dem Torsionsmoment Mt entstehende elektrische Verschiebung Du innerhalb des Bereichs zwischen den Elektroden 19 und 20 zu erfassen.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel können die Elektroden 19 und 20 auch anschließend an die Fläche u&sub2; ausgebildet werden, oder eine der Elektoden 19 oder 20 kann an der Gesamtfläche von w&sub1; oder w&sub2; ausgebildet werden.
In der in Fig. 3 gezeigten Ausführung ergibt das Aufnahmeteil 21 Elektroden 22, 23, 24 und 25 an den Flächen w&sub1;, w&sub2;, wobei die beiden Elektroden 22 und 24 anschließend an die Fläche u&sub1; und die beiden Elektroden 23 und 25 anschließend an die Fläche u&sub2; angeordnet sind. In dieser Ausführung erzeugt das Elektrodenpaar 22 und 25 in Reaktion auf das Anlegen des Torsionsmoments Mt elektrische Ladung mit jeweils entgegengesetzter Polarität zu dem Elektrodenpaar 23 und 24.
In Fig. 2 und 3 gezeigte Elektroden können durch Vakuumabscheidungsvorgänge oder chemische Plattierungsvorgänge ausgebildet werden, wodurch Leitschichten an dem piezoelektrischen Material ausgebildet werden, und durch den nachfolgenden Photoätzvorgang. Die Elektroden können auch durch andere Verfahren ausgebildet werden, die bei der Herstellung von Halbleitergeräten benutzt werden, wie das Lift-off-Verfahren
Bei dem Aufnahmeteil 21 nach Fig. 4 sind über die Gesamtflächen w&sub1; und w&sub2; ausgebildete Elektroden durch Ausbilden einer Nut mit einer gewissen Tiefe in Richtung der Z-Achse annähernd in der Mitte der jeweiligen Flächen w&sub1; und w&sub2; mittels eines Präzisionsschneiders oder einer gleichartigen Maschine in vier Elektroden 26, 27, 28 und 29 unterteilt. Das Elektrodenpaar 26 und 29 erzeugt in Reaktion auf Anlegen des Torsionsmoments Mt elektrische Ladungen mit zu der Polarität der durch das Elektrodenpaar 27 und 28 erzeugten entgegengesetzter Polarität. Bei dieser Ausführung wird der Wirkungsgrad des Aufnahmeteils 21 wirksam verbessert durch den Vorgang des Einschneidens in das piezoelektrische Material, der gleichzeitig mit dem Teilungsvorgang der Elektroden ausgeführt wird.
Das Aufnahmeteil 21 nach Fig. 5 besteht aus zwei Stücken des piezoelektrischen Materials 1, die in einander entgegengesetzter Richtung polarisiert und mit einem gewissen Abstand in Richtung der U-Achse parallel zueinander angeordnet sind. Die Elektroden 30 und 31 sind auf der Fläche w&sub1; und die Elektroden 32 und 33 auf der Fläche w&sub2; vorgesehen. In Reaktion auf das Anlegen des Drehmoments Mt an diese Struktur erzeugen beide Elektroden 31 und 33 auf der Fläche w&sub1; elektrische Ladungen mit gleicher Polarität und die Elektroden 32 und 33 erzeugen elektrische Ladungen mit zu den Elektroden 30 und 31 umgekehrter Polarität.
Da bei dieser Struktur zwei benachbarte Elektroden elektrische Ladungen mit der gleichen Polaritat erzeugen, überkreuzen Leitungsdrähte zur Befestigung an den jeweiligen Elektroden einander nicht und die Montage des Kreisels ist einfacher.
Zwar sind alle bisher beschriebenen Beispiele zum Erfassen der elektrischen Verschiebung Du ausgebildet, doch ist auch die Erfassung der elektrischen Verschiebung Dw möglich, wenn die Elektroden an den Flächen u&sub1; und u&sub2; in der gleichen Weise, wie vorher erwähnt, ausgebildet werden.
Bei der Anwendung eines solchen Aufnahmeteils auf den in Fig. 1 gezeigten Kreisel sollte die Richtung der Z-Achse in der Stimmgabel mit der Richtung der Z-Achse des die Stimmgabel 7 abstützenden Aufnahmeteils 21 zusammenfallen. Jedoch brauchen die Richtungen der X- und der Y-Achse in dem XYZ-Koordinatensystem nicht notwendigerweise mit den Richtungen der U- bzw. der W-Achse in dem UWZ-Koordinatensystem zusammenfallen.
Der in den vorhergehenden Ausführungen gezeigte Vibrationskreisel vibriert in der gleichen Weise, wie der nach dem Stand der Technik aufgeführte. Mit anderen Worten, eine Coriolis- Kraft Fc wird in den jeweiligen Armteilen 4 und 5 in Richtung der X-Achse erzeugt, wenn Wechselströme an die Ansteuerelektroden 11 und 12 angelegt werden, um die beiden Armteile 4 und 5 symmetrisch in Richtung der Y-Achse vibrieren zu lassen.
Demzufolge läßt die erzeugte Coriolis-Kraft Fc die Stimmgabel 7 torsional um die Z-Achse bezüglich der Stütze 9 vibrieren. Es sollte jedoch festgestellt werden, daß bei den vorher erwähnten Ausführungen das auf das Aufnahmeteil 21 einwirkende Drehmoment Mt für sich erfaßt wird, um die Coriolis-Kraft Fc zu erhalten.
Bei einem üblichen Kreisel führt das Vorhandensein einer Unausgeglichenheit von Gewicht und Länge der beiden Arme 4 und 5 zum Entstehen von Torsionsvibrationen in dem Aufnahmeteil 21, wie in Fig. 6 gezeigt. Da andererseits ein Kreisel nach der vorliegenden Erfindung prinzipiell unempfindlich gegenüber Spannungen ist, die durch Biegeverformung erzeugt werden, wie in der Gleichung (5) gezeigt, kann eine breitere Toleranz für den Ausgleich von Gewicht und Länge der Armteile 4 und 5 bei der Auslegung hingenommen werden, so daß der Herstellwirkungsgrad, insbesondere im Falle der Massenerzeugung, verbessert werden kann. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, daß das in Fig. 4 gezeigte Aufnahmeteil 21 nach der vorliegenden Erfindung den Versatzpegel um etwa 30 dB im Vergleich mit dem üblichen Aufnabmeteil absenkt, bei dem nach dem Stand der Technik wie dargestellt bimorphe Elemente vorgesehen werden.
Weiter erfordert der Kreisel nach der vorliegenden Erfindung kein separates Aufnahmeteil, das von dem Grundteil 6 in Richtung der X-Achse absteht. Das nimmt nicht nur erheblichen Raumbedarf in Richtung der X-Achse weg, so daß sich die Größe des Gesamtgeräts verringert, sondern vereinfacht auch den Aufbau und vereinfacht so wirksam den Montagevorgang bei der Herstellung.
Fig. 7 zeigt die perspektivische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung. Bei dieser Ausführung ist die Stimmgabel 7 mit gegenüber den vorher gezeigten Ausführungen umgekehrter Position vorgesehen, und das Aufnahmeteil 21 und die Stütze 9 sitzen zwischen den jeweiligen Armteilen 4 und 5, wodurch sich der Raumbedarf in Richtung der Z-Achse weiter verringert. Das Aufnahmeteil 21 arbeitet nach dem gleichen Prinzip, wie vorher erwähnt, und führt zu den gleichen Wirkungen wie bei den vorher erwähnten Ausführungen.
Obwohl jede der in Fig. 1 und 7 gezeigten Ausführungen das auch als Stützteil 8 dienende Aufnahmeteil 21 umfaßt, kann die vorliegende Erfindung mit in unterschiedlicher Weise ausgeführtem Stützteil 8 hergestellt werden, so in der gleichen Weise wie bei dem Stand der Technik, wobei ein separates in Richtung der Z-Achse polarisiertes piezoelektrisches Material an der Seitenwand des Stützteils 8 angebracht wird. Mit diesem Aufbau erzeugt das piezoelektrische Material eine elektrische Verschiebung in Reaktion auf Scherspannung in Richtung der U-Achse oder der W-Achse, in Abhängigkeit von der Fläche, die an dem Stützteil 8 befestigt ist, wie durch Gleichung (5) gezeigt.
Wie vorher erwähnt, bedeutet die Gleichung (5), daß keine elektrische Verschiebung entsteht und deswegen keine elektrische Ladung in Reaktion auf die Scherspannung Tw erzeugt wird, falls piezoelektrisches Material nur auf den senkrecht zur U-Achse stehenden Gesamtflächen u&sub1; und u&sub2; in Fig. 10 befestigt wird. In gleicher Weise wird keine elektrische Ladung in den Elektroden in Reaktion auf Scherspannungen Tu erzeugt, falls piezoelektrisches Material nur auf der senkrecht zur W-Achse stehenden Gesamtfläche w&sub1; und w&sub2; befestigt wird. Dementsprechend wird zur Erzeugung elektrischer Verschiebung ein aus piezoelektrischem Material hergestelltes und in Richtung der Z-Achse polarisiertes Aufnahmeteil:
(1) an mindestens einer der Flächen w&sub1; oder w&sub2; anschließend an die Fläche u&sub1; oder u&sub2; befestigt sein,
oder
(2) an mindestens einer der Flächen u&sub1; oder u&sub2; anschließend an die Fläche w&sub1; oder w&sub2; befestigt sein.
Zum Zweck der wirksamen Erzeugung von elektrischer Verschiebung wird das Aufnahmeteil vorzugsweise auf einer Seite der jeweiligen Flächenhälfte befestigt vom Zentrum der Breite der Fläche w&sub1; oder w&sub2; bzw. der Fläche u&sub1; oder u&sub2; an.
Bei der vorher erwähnten Art der Ausführungen verbessert die Befestigung des Aufnahmeteils an dem Stützteil die mechanische Beständigkeit des Aufnahmeteils und schützt dadurch das Aufnahmeteil vor Beschädigung durch mechanischen Stoß.
In Fig. 8 ist die Stimmgabel 7 in gleicher Weise wie in Fig. 1 aufgebaut mit dem die Stirnrngabel 7 an der Grundplatte 9 abstützenden Stützteil 8. Bei dieser Ausführung ist das Aufnahmeteil 21 an der zur Y-Achse senkrechten Fläche y&sub1; des Stützteils 8 befestigt, wobei es in Richtung der X-Achse verschoben angebracht ist. Mit diesem Aufbau erfaßt das Aufnahmeteil 21 ein Torsionsmoment Mt, das durch Coriolis-Kraft entsteht und auf das Stützteil 8 einwirkt.
Wie in Fig. 9 mit einem UWZ-Koordinatensystem gezeigt, ist ein derartiges Aufnahmeteil 21 aus piezoelektrischem Material mit rechtwinkliger Parallelepiped-Form hergestellt und polarisiert in Richtung der Z-Achse, mit zwei Elektroden 22 und 23 an den beiden einander gegenüberliegenden zur W-Achse senkrechten Flächen. Das Aufnahmeteil 21 ist, seitlich zur Fläche u&sub1; hin verschoben, an der zur W-Achse senkrechten Fläche w&sub1; des vorzugsweise aus elastischem Material bestehenden Stützteils 8 befestigt. Eine derartige Anordnung des Aufnahmeteils 21 läßt die Elektroden elektrische Ladungen in Reaktion auf die Scherspannung in Richtung der W-Achse erzeugen, die durch das Torsionsmoment Mt entsteht und auf das Stützteil 8 einwirkt. Dementsprechend ermöglicht das Aufnahmeteil 21 das Erfassen eines Torsionsmoments Mt, das auf das Stützteil 8 einwirkt und durch die Coriolis-Kraft Fc entsteht.
Auf diese Weise braucht der in Fig. 8 gezeigte Kreisel nicht notwendigerweise monolithisch aus den beiden Armteilen 4 und 5, dem Grundteil 6 und dem Stützteil 8 zu bestehen, sondern kann aus miteinander verbundenen Teilen aufgebaut sein. Weiter ist die Fläche, an dem das Aufnahmeteil 21 zu befestigen ist, nicht auf die in Fig. 8 und 9 gezeigte Fläche begrenzt. Beispielsweise kann das Aufnahmeteil 21 in Fig. 9 zur Fläche u&sub2; hin verschoben positioniert sein oder statt des Aufnahmeteils 21 an w&sub1; oder zusätzlich dazu kann ein weiteres Aufnahmeteil 21 an der Fläche w&sub2; befestigt sein, oder es können zwei zueinander parallele Aufnahmeteile 21 an jeder der beiden Flächen w&sub1; und w&sub2; befestigt sein. Es ist zu verstehen, daß diese Art der Abwandlung auch dann anwendbar ist, wenn das Aufnahmeteil an der Fläche/den Flächen u&sub1; oder/und u&sub2; befestigt ist.
Fig. 10 stellt ein weiteres Beispiel nach der vorliegenden Erfindung dar. Bei diesem Beispiel ergibt das aus einem plattenartigen Material gefertigte Stützteil 8 zwei Aufnahmeteile 21 an jeder zur Y-Achse senkrechten Fläche. Wie in Fig. 11 mit dem UWZ-Koordinatensystem gezeigt, enthält das Aufnahmeteil 21 piezoelektrisches Material 19, das sich längs des Stützteils 8 erstreckt und im wesentlichen die gleiche Breite wie das Stützteil hat. Dieses in der Richtung der Z-Achse polarisierte piezoelektrische Material 19 besitzt zwei Elektroden 24 und 27 jeweils an jeder zur W-Achse senkrechten Fläche, wobei jeweils eine Elektrode 24 in zwei kleine Elektroden 25 und 26 unterteilt ist. Das Stützteil 8 liegt sandwichartig zwischen den beiden Aufnahmeteilen 21 an den jeweiligen Flächen w&sub1; und w&sub2; der zur W-Achse senkrechten Fläche eingeschlossen, und dieser Aufbau ist gleichartig einem bimorphen Element, in dem zwei allgemeine Arten von piezoelektrischen Elementen zwischen sich eine elastische Platte halten. Dementsprechend arbeitet das Aufnahmeteil 21 in dem Fall, daß es in dieser Weise an dem Kreisel nach Fig. 10 angebracht ist, in der gleichen Weise, wie das in Fig. 8 gezeigte.
In der in Fig. 11 gezeigten Ausführung sind zwei Paare von kleinen Elektroden 25 und 26 jeweils diagonal einander gegenüber an dem Stützteil 8 angebracht und erzeugen elektrische Ladungen mit zueinander entgegengesetzter Polarität in Reaktion auf die Einwirkung des Torsionsmoments Mt.
Zusätzlich können bei dem in Fig. 11 gezeigten Aufnahmeteil 21 nur die dem Stützteil 8 benachbarte Elektrode 27 in zwei kleine Elektroden aufgeteilt sein, oder beide Elektroden 24 und 27 konnen jeweils in zwei Elektroden unterteilt sein.
Weiter kann davon Gebrauch gemacht werden, daß das Aufnahmeteil nur an einer Seite der zu der W-Achse senkrechten Fläche des Stützteils 8 befestigt ist, oder daß das Aufnahmeteil an mindestens einer der zur U-Achse senkrechten Flächen u&sub1; und u&sub2; in Fig. 11 befestigt ist. In diesem letzteren Fall erzeugt das Aufnahmeteil 21 elektrische Ladungen in Abhängigkeit von Scherspannungen τw, die in Richtung der U-Achse angelegt werden.
Fig. 12 ist eine weitere Ausführung nach der vorliegenden Erfindung, bei der die Stimmgabel, ähnlich wie die in Fig. 7 gezeigte, mit umgekehrter Position vorgesehen und das Aufnahmeteil an dem an dem zwischen den beiden Armteilen hervorstehenden Stützteil 8 befestigt ist. Im letzeren Fall erzeugt das Aufnahmeteil 21 in Reaktion auf die in Richtung der U-Achse anliegende Scherspannung τw elektrische Ladungen.

Claims

1. Schwingungsgyroskop mit

einer Abstimmgabel (7) , die zwei Armelemente (4, 5) und ein Basiselement (6) hat, wobei die zwei Armelemente parallel zueinander sind und sich in der Richtung einer Z-Achse erstrecken und in der Richtung einer Y-Achse eine bestimmte Distanz voneinander getrennt sind, und wobei das Basiselement die zwei Armelemente an ihren Endabschnitten verbindet;

einer Halteelementeinrichtung (8) zum Halten der Abstimmgabel (7);

mindestens einer Aufnahmeelementeinrichtung (21), die auf mindestens einer Oberfläche der Halteelementeinrichtung vorgesehen ist, wobei die Aufnahmeelementeinrichtung ein piezoelektrisches Material und mindestens ein Elektrodenpaar auf den entsprechenden Oberflächen enthält, wobei mindestens eine der Elektroden auf dem Halteelement befestigt ist und in Bezug auf die Z-Achse versetzt ist, um in einer der zwei Richtungen senkrecht zur Z-Achse seitlich plaziert zu sein, wobei das Schwingungsgyroskop dadurch gekennzeichnet ist, daß

das Halteelement vom Basiselement aus in die Richtung der Z-Achse hervorsteht, und daß

das piezoelektrische Material in der Richtung der Z-Achse polarisiert ist.

2. Schwingungsgyroscop gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeelementeinrichtung (21) als Halteelementeinrichtung (8) dient.

3. Schwingungsgyroscop gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

das piezoelektrische Material (19) im wesentlichen die gleiche Breite wie das Halteelement (8) hat, und daß

wenigstens eine der Elektroden (24; 27) in der Richtung senkrecht zur Z-Achse in zwei Abschnitte (25, 26) geteilt ist und wenigstens eine der Elektroden auf der Halteelementeinrichtung befestigt ist.