DE69628981T2

DE69628981T2 - Drehgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE69628981T2
Application number: DE69628981T
Authority: DE
Inventors: Masashi Konno; Sumio Sugawara; Nobuhisa Atoji; Jiro Terada; Masami Uji-shi TAMURA
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2016-04-05
Also published as: US6119519A; US6298723B1; US6237415B1; US5824900A; DE69628981D1; EP0764828B1; EP0764828A4; EP0764828A1; WO1996031754A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der bei der Positionssteuerung oder dem Navigationssystem eines mobilen (bewegbaren/beweglichen) Körpers, wie z. B. einem Flugzeug, Automobil, Schiff, und Fahrzeug verwendet wird, oder in einem System zur Vermeidung von Erschütterungen einer Kamera oder Videokamera, Fernsteuerung von Audio- und Videoanwendungen oder PC, oder Nachweis von Rotationsbewegungen.
Technischer Hintergrund
Verschiedene Formen von Winkelgeschwindigkeitssensoren wurden bislang bekannt (vgl. z. B. JP-A-2129514), und vom Standpunkt, das die gesamte Stimmkabel aus einem keramischen piezoelektrischem Element gebildet wird, offenbart das offengelegte japanische Patent 3-120415 als Stand der Technik einen oszillierenden Gyro, der integral zwei rechteckige Arme bildet, und einen Basisabschnitt, um diese Arme an ihren unteren Enden von einem piezoelektrischen Material wechselseitig zu koppeln, um die gesamte Form in Gestalt einer Stimmgabel auszubilden, wobei der Basisabschnitt in Richtung der Y-Achse polarisiert ist.
Dieser herkömmliche Winkelgeschwindigkeitssensor wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur beschrieben.
32 ist eine perspektivische Ansicht einer einstückigen Stimmgabel, die im offengelegten japanischen Patent 3-120415 offenbart ist.
Polarisationsrichtungen sind orthogonal, wobei der Basisabschnitt in Richtung der Y-Achse und die Antriebsseitenschwingarme (Steuerseitenschwingarme) in Richtung der X-Achse ausgerichtet. Antriebselektroden (Steuerelektroden) 3, 4 sind Teilelektroden von etwa der Hälfte der Schwingarme und die Antriebskraft beträgt 2/8 bei der Verwendung aller vier Seiten.
Daneben werden aufgrund der Corioliskraft die Schwingarme 1, 2 gebogen und oszillieren mit umgekehrten Phasen in der X-Richtung, so dass ein Torsionsmoment um die Y-Achse am Basisabschnitt 5 auftritt. Nachweiselektroden 6, 7 sind vorgesehen, um die Torsionsschwingung des Basisabschnitts 5 nachzuweisen und besitzen eine hohe Resonanzfrequenz und niedrige Ausgangsempfindlichkeit.
Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Antriebsseitenschwingarm, Bezugszeichen 2 einen Monitorschwingarm für stabiles Schwingen, und die Polarisationsrichtung, die nicht angezeigt ist, wird unter Berücksichtigung der Funktionsweise als die X-Richtung angenommen.
In 32 sind jedoch die Aufgaben verteilt, d. h., die Schwingarme 1, 2 werden zum Antrieb (zur Steuerung) verwendet, und der Basisabschnitt 5 zum Nachweis, und obwohl es nur eine Vermutung ist, da das Montage- oder Halterungsprinzip des Basisabschnitts 5 nicht offenbart ist, kann vorhergesagt werden, dass die Schwingarten durch das Mischen von (1) Schwingungskomponenten im Basisabschnitt 5 aufgrund von Antrieb und Schwingung (Biegeschwingung mit wechselseitig umgekehrten Phasen in Y-Richtung), (2) Schwingungskomponenten im Basisabschnitt 5 aufgrund von Biegeschwingungen mit wechselseitig umgekehrten Phasen in X-Richtung zum Zeitpunkt der Wirkung der Corioliskraft, (3) Torsionsschwingungskomponenten um die Y-Achse des Basisabschnitts 5, und (4) Störungsrauschanteile von den Halterungsabschnitten, kompliziert sind. Demzufolge ist der Schaltkreis zur Separation dieser vier Schwingungskomponenten kompliziert. Da die Schwingungsanalyse des Basisabschnitts der Stimmgabel durch die heutige mechanische Vibrationstechnik nicht geklärt ist, scheint ihre Steuerung schwierig zu sein. Da die Schwingungsseparation schwierig ist, kann sie eine Fehlfunktion als Kreisel im praktischen Aspekt bewirken. Insbesondere ist sie durch Störrauschen beeinflusst, das über den Halterungsabschnitt transmittiert wird, und konnte somit nur unter Schwierigkeiten bei Automobilen, etc. angewandt werden.
Die Torsionsschwingung weist eine höhere Resonanzfrequenz und eine geringere Schwingungsamplitude verglichen mit der Biegeschwingung des Auslegers auf, und hat daher eine geringere Empfindlichkeit. Daher war ein Abfall der Ausgangsempfindlichkeit eine Ursache für eine Temperaturverschiebung (Fluktuation des gemessenen Werts aufgrund Änderungen der Umgebungstemperatur, wenn die eingegebene Winkelgeschwindigkeit 0 ist).
Darüber hinaus sind die Antriebselektroden 3, 4 in 32 am vorderen Ende in der Y-Achsenrichtung der Schwingarme vorzusehen, so dass gemäß der Schwingungstheorie für Stimmgabeln 20 bis 30% der Funktionen des vorderen Endes als schwebende Kapazitäten und zur Antriebskraft überhaupt nicht beitragen, und nur elektrisches Rauschen aufnehmen, so dass das Verhältnis von nachgewiesenem Signal zu elektrischem Systemrauschen (nachfolgend SIN (Signal/Rausch-Verhältnis) bezeichnet) verschlechtert wurde.
Beschreibung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Funktion der Antriebsseitenstimmgabel und der Nachweisseitenstimmgabel zu isolieren und zu trennen, ohne dabei einen Basisabschnitt zu verwenden, der eine komplizierte Schwingungsform aufweist, d. h., ohne Verwendung des Trägerabschnitts zum Nachweis, eine mechanische Kopplungsschwingung des Trägerbereichs zu entfernen, zu vermeiden, dass das Antriebssignal zur Nachweisseite gelangt und die Drifteigenschaften zu verbessern.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet durch integrale Ausbildung einer Stimmgabel in Form eines Kamms mit vier parallelen Schwingarmen, welche aus flachem keramischen piezoelektrischem Material oder kristallinem Material hergestellt sind, und eines gemeinsamen Stimmgabelhalteelements, Definieren der X-Achse des dreidimensionalen Koordinatensystems in Richtung der Breite der Schwingarme und des Halteelements, der Y-Achse in der longitudinalen Richtung der Schwingarme, und der Z-Achse in der Richtung der Dicke der gesamten Stimmgabel, vorläufiges Teilpolarisieren eines Teils der Schwingarme und des Halteelements entlang der Y-Achse in der X-Richtung durch eine extern angelegte Spannung, Verwenden des äußeren Satzes von zwei Stücken an die Antriebsseitenstimmgabel und des inneren Satzes von zwei Stücken als die Nachweisseitenstimmgabel, oder Verwenden des inneren Satzes von zwei Stücken als die Antriebsseitenstimmgabel und des äußeren Satzes von zwei Stücken als die Nachweisseitenstimmgabel, Anbringung von Antriebselektroden entlang der Y-Achse der vorderseitigen, rückseitigen und seitlichen Oberflächen eines Teils der Antriebsseitenschwingarme und des Halteelements der Stimmgabel in Form eines Kamms, und von Nachweiselektroden, die in zwei Abschnitte entlang der Y-Achse der vorderseitigen und rückseitigen Oberflächen in einem Teil der Nachweisschwingarme und des Halteelements aufgeteilt sind, entsprechend den teilweise polarisierten Abschnitten, Anlegen eines Wechselstromsignals an die Antriebselektroden der Antriebsseitenstimmgabel, um Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen in der X-Richtung (nachfolgend X_D-Mode genannt) zu erzeugen, mechanisches Koppeln des Halteelements an die Nachweisseitenstimmgabel, um Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen (nachfolgend X_S-Mode genannt) zu induzieren, und Nachweis der elektrischen Ladungsmenge, die durch die Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen in Richtung der Z-Achse durch die Corioliskraft gezeigt wurde, basierend auf der Drehwinkelgeschwindigkeit um die Y-Achse, die von außen (nachfolgend Z_S-Mode genannt) durch die Nachweiselektrode der Nachweisseitenstimmgabel angewendet wird.
Durch diese Anordnung wird eine Verbesserung der Transmissionseffizienz, eine Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit, ein Vermeiden einer unangemessenen Aufteilung des Antriebssignals, und eine Erhöhung des elektrischen und mechanischen S/N (Signal/Rausch)-Verhältnisses erreicht, so dass eine stabile und leistungsstarke Anordnung erhalten werden kann.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise Polarisierung in X-Richtung einer Stimmgabel in Form eines Kamms zeigt, welche bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor aus einer keramischen piezoelektrischen Verbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,
2 ist eine perspektivische Ansicht in einem Zustand, in dem bei derselben Stimmgabel in Form eines Kamms Elektroden installiert werden,
3 ist eine perspektivische Ansicht, die teilweise Polarisierung in der Z-Richtung bei derselben Stimmgabel in Kammform zeigt,
4 ist eine perspektivische Ansicht, die den Zustand zeigt, in dem Elektroden derselben Stimmgabel in Kammform installiert werden,
5 ist ein Schaltplan des Antriebs- und des Nachweisschaltkreises mit Elektrodenanordnung von Polarisation in der X-Richtung desselben,
6 ist ein Schaltplan des Antriebs- und Nachweisschaltkreises für eine Elektrodenanordnung von Polarisation in Z-Richtung desselben,
7 ist ein Diagramm zur Erklärung der Schwingungsmode und Halteposition derselben Stimmgabel,
8 ist ein Schaltkreis des Monitorantriebs- und Nachweissystems der Stimmgabel für den Fall einer Polarisation in der X-Richtung,
9 ist ein Schaltkreis des Monitorantriebs- und Nachweissystems der Stimmgabel im Fall einer Polarisation in der Z-Richtung,
10 ist ein Blockdiagramm des Antriebs- und Nachweisschaltkreises derselben Stimmgabel in Kammform,
11(a) bis (g) sind Diagramme zur Veranschaulichung der Wellenform an bestimmten Stellen des Schaltblocks,
12 ist eine perspektivische Ansicht der Polarisierung in Richtung der Dicke, wobei die innere Stimmgabel zum Antrieb in einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet wird,
13 ist ein Diagramm zur Erklärung der Theorie von teilweiser Polarisation und Teilelektrode, und
14 ist ein der Erläuterung dienendes Diagramm, das die Charakteristiken aufzeigt.
15 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit kammförmiger Stimmgabel unter Verwendung eines Kristalls in einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,
16 ist ein Diagramm, das die Stimmgabel und Richtung der Kristallachse des Sensors von 15 zeigt,
17 ist ein Diagramm, das die Stimmgabel und Richtung der Kristallachse des Sensors von 15 zeigt,
18 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abmessungen dieses Sensors,
19 ist ein Diagramm, das die Elektrodenkonfiguration und Verschaltung dieses Sensors zeigt,
20 ist ein Diagramm, das die mechanische Funktionsweise dieses Sensors zeigt,
21 ist ein Diagramm dieses Sensors, welches eine Elektrodenkonfiguration und die Verschaltung zeigt,
22 ist ein Schaltkreisblockdiagramm des Sensors,
23(a) bis (f) sind Diagramme, die die elektrische Funktionsweise dieses Sensors zeigen,
24 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit tandemförmiger Stimmgabel unter Verwendung eines Kristalls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt,
25 ist ein Diagramm, das die Stimmgabel und Richtung der Kristallachse dieses Sensors zeigt,
26 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abmessungen dieses Sensors,
27 ist ein Diagramm für die Elektrodenkonfiguration dieses Sensors,
28 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Elektrodenkonfiguration und Verschaltung dieses Sensors,
29 ist ein Diagramm, das die mechanische Wirkungsweise dieses Sensors zeigt,
30 ist ein Diagramm, das die Elektrodenkonfiguration und Verschaltung dieses Sensors zeigt,
31 ist eine perspektivische Ansicht eines modifizierten Beispiels für diesen Sensor, und
32 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensors.
Beste Arten und Weisen, um die Erfindung durchzuführen
(Erste Ausführungsform)
Als eine erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor aus keramischem piezoelektrischem Verbindungstyp nachfolgend beschrieben.
Es ist ein Prinzip der Erfindung, dass die Funktionen der Antriebsseitenstimmgabel und der Nachweisseitenstimmgabel voneinander isoliert und getrennt sind, ohne dass ein komplizierter Basisabschnitt im Schwingungsmodus verwendet wird, d. h., das Halteelement zum Nachweis, und dass die Schwingarme im stabilen Abschnitt der Schwingung der Stimmgabel zur Eliminierung der mechanischen Kopplungsschwingung des Halteelements verwendet werden, wobei die mechanische Kopplungsschwingung des Antriebssignals entfernt wird, ein Übergreifen des Antriebssignals auf die Nachweisseite vermieden wird, und die Drifteigenschaften verbessert werden.
Weiterhin können gemäß der Theorie der Schwingungstechnik die Elektrodenfläche zur Maximierung der Schwingungsamplitude und die Nachweisempfindlichkeit für die Antriebskraft optimiert werden, ohne dass die gesamten Schwingarme polarisiert werden, indem etwa 50% bis 80% der Länge polarisiert werden, genauer, indem 62% unter Berücksichtigung der normalen Funktion der mechanischen Schwingungstheorie und des Kapazitätsverhältnisses (des Verhältnisses der mechanischen Nachgiebigkeit eines Stabs und der elektrostatischen Kapazität) polarisiert werden, und die Antriebselektrodenfläche und Nachweiselektrodenfläche in dem der Polarisation entsprechenden Abschnitten freigelegt sind.
Die effektive Länge der Schwingarme der Stimmgabel, die zur Resonanzfrequenz beiträgt, schwingt nicht nur in der Länge der Schwingarme, sondern auch im Halteelement, und gemäß der klassischen Dynamik, erhält man sie, indem eine Länge, die nahezu der Breite der Schwingarme entspricht, zur Länge der Schwingarme, gemessen von der Fußlinie des Halteelements, addiert und somit die Resonanzfrequenz akkurat durch die Ausbildung festgelegt werden, indem diese effektive Länge verwendet wird, solange die Stimmgabel keine spezifische Form aufweist. Somit kann durch Polarisieren des Abschnittes, der der effektiven Länge der Schwingarme entspricht, und durch Freilegen der Elektroden das Ausgangssignal ohne Verluste aufgenommen werden, und unnötige Antriebsschwingung wird nicht verursacht.
Da darüber hinaus keine Polarisation oder Elektrode im Extraabschnitt, der nicht zur Antriebsschwingung oder Nachweisschwingung beiträgt, vorliegt, ist beabsichtigt, das Übertreten des Signals durch elektrisches Koppeln aufgrund der Elektrodenaufteilung zu vermeiden, und eine Verschlechterung des S/N (Signal/Rausch)-Verhältnisses aufgrund von schwebender Kapazität zu vermeiden.
Die oben beschriebenen Mittel der teilweisen Polarisierung und Teilelektrode können unter Berücksichtigung der normalen Funktion der mechanischen Schwingungstheorie und Kapazitätsverhältnisses in äquivalenten Schaltkreisen eines Resonanzelements nicht in Kristallmaterial angewandt werden, und die Wirksamkeit weisen nur keramische piezoelektrische Materialien auf.
Darüber hinaus ist ein stabiler Antrieb der Stimmgabel sehr wichtig für das Entfernen von mechanischer Kopplungsschwingung oder Verbesserung von Temperaturdrifteigenschaften. Die Erfindung umfasst daher einen Stromverstärker zum Nachweis des Stroms in der Monitorelektrode (nachfolgend Monitorelektrode genannt) bei verschwindender Spannung, einen AC/DC-Wandler, um das Ausgangssignal des Stromverstärkers in ein DC-Stromsignal proportional zur Amplitude umzuwandeln, und eine Antriebsniveausteuerung, um das Ausgangssignal des Stromverstärkers in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Wandlers zu verstärken, um eine Spannung zu erhalten, die an die Antriebselektrode angelegt (nachfolgend Antriebsspannung genannt), die hierfür so funktionieren, dass der Monitorstrom, d. h. die Antriebsamplitude, immer konstant bleiben.
Zusätzlich wird als Einrichtung zum Nachweis des Signals, das proportional zur Winkelgeschwindigkeit ist, und vom Signal des Elektrodenstroms zum Nachweis (nachfolgend Nachweisstrom genannt) ein orthogonales Nachweissystem verwendet, und ein Timersignal zum Nachweis ist erforderlich. In dieser Erfindung wird das Timersignal durch einen Nullpunktdurchgangkomparator zum Nachweis des Nulldurchgangs des Ausgangssignals des Stromverstärkers erhalten.
Um die Probleme des herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensors mit integraler Ausbildung aus keramischem piezoelektrischem Material unter Verwendung des Halteelements als Nachweisstimmgabel durch Veränderung der Richtung der Polarisation zwischen Schwingarmen und Halteelement zu lösen, wird bei dieser Erfindung eine Stimmgabel in Kammform integral aus einem keramischen piezoelektrischen Material gebildet, und die Ausgangsspannung wird optimiert durch das System der teilweisen Polarisation und Teilelektrode, die an den Stimmgabelkörper anwendbar ist, so dass die komplizierte Schwingung des Halteelements durch eine getrennte Ausbildung verwirklicht werden kann.
Der Betrieb und die Wirkung der teilweisen Polarisation und Teilelektrode werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 13 und 14 beschrieben.
In 13 werden, unter Annahme eines sehr geringen Abstands der Schwingarme und des Halteelements einer Stimmgabel als Ausleger (d. h. die longitudinale Richtung der Stimmgabel) als X-Achse, der Amplitude der vertikalen Schwingung orthogonal zur X-Achse als ξ, der Armbasis als x = 0, und des vorderen Endes des Schwingarms als x = 1, die Amplitude ξ und die Dehnung δ, die im Ausleger auftreten, gemäß der Schwingungstechniktheorie als hyperbolische Sinus- und Kosinusfunktionen ausgedrückt, so dass sie nicht in Form linearer Funktionen ausgedrückt werden, wie in 14 gezeigt ist. Dabei wird die Modenfunktion auf der Koordinatenachse normiert, und es wird ξ = 1, δ = 1 angenommen.
Demzufolge ist die nachgewiesene elektrische Ladung, die proportional zur Dehnung δ des keramischen piezoelektrischen Stabs ist, im Ausgangssignal in der Nähe von x = 0 größer, und im Ausgangssignal in der Nähe des vorderen Endes kleiner, und das Ausgangssignal verschwindet bei x = 1.
Auf der anderen Seite ist gemäß der Theorie des elektrisch-mechanischen piezoelektrischen Transducers die Ausgangsspannung umgekehrt proportional zum Kapazitätsverhältnis γ der Schwingarme, und diese Bedingung ist besser, wenn die elektrostatische Kapazität kleiner ist. Durch Berechnen der Dehnungskurve δ und der Kapazitätsverhältnisfunktion γ kann das Ausgangssignal optimiert werden und ist im Allgemeinen maximal, wenn x = 0,621. Daher wird bis zu x = 0,621 polarisiert, d.h. etwa 38% des vorderen Endes werden nicht polarisiert, und die Elektrode wird nicht disponiert, und dabei wird die Ladungskapazität des vorderen Endes minimiert und das S/N (Signal/Rausch)-Verhältnis verbessert.
Eine zweite Eigenheit der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Stimmgabel in Kammform integral aus einem keramischen piezoelektrischen Material gebildet wird. Das heißt, diese Eigenschaft ist die Ausbildung, in welcher die äußere Seite eines größeren Volumens als Antriebsseitenstimmgabel verwendet wird, und die innere Seite einer kleineren Fläche oder eines kleineren Volumens als die Nachweisseitenstimmgabel verwendet wird, und da die kleinere Nachweisseitenstimmgabel der inneren Seite auf die größere Antriebsseitenstimmgabel der äußeren Seite gesetzt wird, kann die Schwingung der Antriebsseitenstimmgabel effektiv auf die Nachweisseitenstimmgabel übertragen werden. Das heißt, bei dieser Stimmgabel schwingen das Halteelement der Antriebsseitenstimmgabel mit größerem Volumen und das Halteelement der Nachweisseitenstimmgabel in einem gemeinsamen Zustand.
Umgekehrt ist bei Verwendung des inneren Satzes von zwei Stücken als der Antriebsseitenstimmgabel und des äußeren Satzes von zwei Stücken als der Nachweisseitenstimmgabel die Wirkung die gleiche. In diesem Fall muss die Antriebskraft erhöht werden, indem die Dimensionen der Innenseitenstimmgabel erhöht werden oder die angelegte Spannung erhöht wird, wobei es besonders bevorzugt ist, die Form der Wurzel der Stimmgabel in Betracht zu ziehen.
Gemäß einer dritten Eigenheit der Ertindung ist das Monitorantriebssystem durch selbst erregten Schwingkreis für zusammengesetzte Stimmgabeln mit Separation der Funktionen geeignet, als für einzelne Stimmgabel. In ihrem Betrieb ist die Amplitude des Monitorstroms, der bei verschwindender Spannung nachgewiesen wird, vollständig proportional zum Schwingungsniveau (die Geschwindigkeit) der Stimmgabel. Dadurch ist das AC/DC-Wandlerausgangssignal proportional zum Monitorstrom, und die Steuerung passt die Antriebsspannung an, so dass das AC/DC-Wandlerausgangssignal immer konstant sein kann.
Da das Schwingungsniveau der Stimmgabel proportional zur Antriebsspannung variiert, ist das Schwingungsniveau der Stimmgabel immer konstant. Als Folge ist die Stimmgabelschwingung stabil und das Driftverhalten wird verbessert.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor aus keramischem piezoelektrischen Körper gemäß der Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren weiter beschrieben.
Zuerst zeigt 1 eine Ausführungsform, welche vier parallele Schwingarme 11, 12, 13, 14 umfasst, die aus flachem keramischem piezoelektrischen Platten hergestellt wurden, wobei die Schwingarme 11, 12 für den Antrieb und die Schwingarme 13, 14 für den Nachweis verwendet werden, diese integral als eine Stimmgabel in Kammform aus diesen Schwingarmen 11 bis 14 und gemeinsamen Halteelementen 15, 16 der Stimmgabel gebildet werden, wobei die X-Achse des dreidimensionalen Koordinatensystems der Breitenrichtung der Schwingarme und Halteelemente entspricht, die Y-Achse der longi tudinalen Richtung der Kammform, und die Z-Achse der Breitenrichtung der gesamten Stimmgabel, und die Abschnitte für teilweise Polarisation und Dimensionssymbole nachfolgend definiert werden.
I_D und I_S stellen die Längen der Antriebsseitenschwingarme 11, 12 bzw. der Nachweisseitenschwingarme 13, 14 dar, gemessen in Bezug auf die Länge von den Wurzeln 17, 17' der Schwingarme 11, 12 und der Wurzel 18 der Schwingarme 13, 14 zu dem vorderen Ende. I_SB bezeichnet die Länge des Halteelements 16 der Nachweisseitenstimmgabel, und bezieht sich auf den Abstand zwischen den Wurzeln 17 und 18.
Wo ist die Breite der Antriebsseitenschwingarme 11, 12, W_s ist die Breite der Nachweisseitenschwingarme 13, 14, t ist die Dicke der Schwingarme 11 bis 14 und der Halteelemente 15, 16, d. h., der gesamten Stimmgabel, g₁ ist das Schlitzintervall der Antriebsseitenschwingelemente 11, 12, und g₂ ist das Schlitzintervall der Nachweisseitenschwingarme 13, 14. Bezugszeichen 19 bezeichnet eine Kerbe, die im unteren Bereich des Halteelements 15 vorgesehen ist, auf einer Knotenlinie α (in 1 durch eine gepunktete Linie dargestellt) von Biegeschwingungen mit umgekehrten Phasen in der Z-Achsenrichtung durch Wirkung der Corioliskraft, d. h., Schwingung in der Z_S-Mode, und ist vorgesehen, um den Winkelgeschwindigkeitssensor zu halten oder zu montieren. Anstelle einer Kerbe kann 19 auch ein kleines Loch sein, dessen Wirkung dieselbe ist.
Der blanke Pfeil bezeichnet die Polarisationsrichtung, die schattierte Fläche bezieht sich auf den polarisierten Abschnitt, und die blanke Fläche zeigt den nichtpolarisierten Abschnitt. Das heißt, die Länge von etwa 0,7 I_D der Schwingarme 11, 12 und etwa Wo bei der Halteelement-15-Seite beider Antriebsseitenstimmgabel des äußeren Satzes der zwei Stücke, und der Volumenabschnitt bestehend aus etwa 0,7 I_S der Schwingarme 13, 14 und der Länge I_SB etwa W_D an der Halteelement-16-Seite auf der Nachweisseitenstimmgabel des inneren Satzes der zwei Stücke sind teilweise vorab polarisiert, so dass die DC-Spannung in X-Richtung durch eine von außen angelegte Spannung von 3 bis 4 kV/mm eindringen kann.
2 zeigt die Beschaffenheit der Antriebselektrode und Nachweiselektrode nach teilweiser Polarisation, und grundsätzlich sind Elektroden entsprechend den polarisiertem Abschnitt von 1 eingerichtet. Was die Antriebselektroden betrifft, können die polari sierten Elektroden direkt verwendet werden, aber polarisierte Elektroden werden an der Seite der Schwingarme 13, 14 der inneren Nachweisseitenstimmgabel vorgesehen und nach der Polarisierung verwendet. Die Zeichnung zeigt den Zustand nach dem Entfernen. Die Länge der Antriebselektrode auf der Seite des Halteelements beträgt bevorzugt etwa 0,5 bis 1 mal der Breite W_D des Schwingarms.
In 2 sind +-Seiten- und –-Seiten-Antriebselektroden 20, 21 auf vier Seiten der Antriebsseitenschwingarme 11, 12 ausgebildet, und +- und –-Seitennachweiselektroden 22, 23 parallel an der vorderen Oberfläche und hinteren Oberfläche der Nachweisseitenschwingarme 13, 14 ausgebildet.
3 betrifft eine Ausführungsform, bei der die Richtung der Polarisation nur die Z-Richtung ist, d. h., die Dickenrichtung der Stimmgabel, und die polarisierten Abschnitte dieselben wie bei 1 sind. Wenn die Richtung der Polarisation die Z-Achse ist, wird die Struktur von Antrieb und Nachweiselektroden invertiert, und wie in 4 gezeigt ist, werden Antriebselektroden 20, 21 in zwei Sektionen in Richtung der Y-Achse der Schwingarme 11, 12 abgeteilt, und Nachweiselektroden 22, 23 werden sowohl an den vorderen Oberflächen als auch den hinteren Oberflächen der Schwingarme 13, 14 vorgesehen.
5 und 6 veranschaulichen die Elektrodenzusammensetzung und das Schaltdiagramm entsprechend den 1 und 3. Dies wird nachfolgend beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, in dem allgemein so verschaltet wird, dass die Vorder- und Rückseitenoberflächen des Antriebsseitenschwingarms 11 zur +-Seitenantriebselektrode 20 kommen können, die Seitenoberfläche zur --Seitenantriebselektrode 21, die Vorder-und Rückseiten des Antriebsseitenschwingarms 11 umgekehrt zur –-Seitenelektrode 21, und die Seitenoberfläche zur +-Seitenantriebselektrode 20, ist ein Eingabeterminal 24 des Sensors eine positive Elektrode des Antriebssignals, und ein Eingabeterminal 25 eine negative Elektrode. Durch kontinuierliches Anlegen eines AC-Signals zwischen den Eingabeterminals 24 und 25 halten die Antriebsseitenschwingarme 11, 12 Biegeschwingungen (X_D-Mode) in gegenseitig umgekehrten Phasen aufrecht, in Richtungen i und j der X-Achse. Diese X_D-Modeschwingung induziert die Biegeschwingung (X_S-Mode) in wechselseitig umgekehrten Phasen in Richtungen q und r der Nachweisseitenschwingarme 13, 14 über mechanische Kopplung der Halteelemente 15, 16.
Durch Bilden der Nachweiselektroden 22, 23 in einer Aufteilung in nur zwei Abschnitte auf der Vorder- und Rückseite der Schwingarme 13, 14 der Nachweisseitenstimmgabel, bewegt sich der Schwingarm 13, wenn eine Rotationswinkelgeschwindigkeit (ω) um die Y-Achse von außen aufgeprägt wird, z. B. in Richtung des Pfeils k unter Wirkung der Corioliskraft, worauf der Schwingarm 14 sich in Richtung des Pfeils p (Z_S-Modus) bewegt, so dass eine elektrische Ladung von (–, +) in den Nachweiselektroden 22, 23 auf der vorderen Oberfläche des in 5 gezeigten Schwingarms 13 erzeugt wird, während eine umgekehrte elektrische Ladung von (+, –) in den Nachweiselektroden 22, 23 auf der Rückseite erzeugt wird.
Auf der anderen Seite wird im Gegenteil eine elektrische Laden von (+, –) an den Nachweiselektroden 22, 23 auf der vorderen Oberfläche des Schwingarms 14 erzeugt, und eine umgekehrte elektrische Ladung von (–, +) an den Nachweiselektroden 22, 23 auf der Rückseite erzeugt. Durch gegenseitiges Verschaltung der gleichen Pole der elektrischen Ladung und Verbinden der +-Seite an das Nachweisterminal 26 und der –-Seite an das Nachweisterminal 27 wird eine Potenzialdifferenz zwischen den Nachweisterminals 26 und 27 nachgewiesen.
Antriebselektroden 20, 21 in 6 sind Elektroden, die in zwei Abschnitte aufgeteilt sind, wobei diagonale Seiten der Vorder- und Rückseitenoberflächen des Schwingarms 12 als +-Seitenantriebselektrode 20 und –-Seitenantriebselektrode 21 festgelegt werden, und der Schwingarm 11 wird allgemein symmetrisch zur Bildung der +-Seitenantriebselektrode 20 und der –-Seitenantriebselektrode 21 verschaltet, und ein Eingabeterminal 24 des Sensors ist ein positiver Pol des Antriebssignals und ein Eingabeterminal 25 ist ein negativer Pol. Durch Anlegen eines kontinuierlichen AC-Signals zwischen den Eingabeterminals 24 und 25, induzieren die Schwingarme 11, 12, 13, 14 Schwingungen (X_S-Mode) in Richtungen q und r durch Schwingungen in Richtungen i und j (X_D-Mode), so wie in 5.
Durch Bilden der Nachweiselektroden 22, 23 auf den vorderseitigen, rückseitigen und seitlichen Oberflächen der Schwingarme 13, 14 der Nachweisseitenschwinggabel, wenn eine Drehwinkelgeschwindigkeit (ω) um die Y-Achse von außen angelegt wird, schwingen die Schwingarme 13, 14 mit umgekehrten Phasen (Z_S-Mode) in Richtungen k und p, und eine elektrische Ladung von (+) wird an den vorderseitigen und rückseitigen Oberflächen des Schwingarms 13 erzeugt, und eine elektrische Ladung von (–) an beiden seitlichen Oberflächen erzeugt, und vollständig umgekehrte elektrische Ladungen werden im Schwingarm 14 erzeugt. Durch gegenseitiges Verschalten derselben Pole von elektrischer Ladung, und Verbinden der +-Seite des Nachweisterminals 26 und der –-Seite des Nachweisterminals 27 wird eine Spannungsdifferenz zwischen den Nachweisterminals 26 und 27 nachgewiesen.
Was den Winkelgeschwindigkeitssensor von 3 anbelangt, so wird ein Beispiel von speziellen Ausführungsabmessungen nachfolgend präsentiert, und die Halterung oder Montageposition durch ein Loch 19 (vgl. 7) bestimmt. durch Setzen der Abmessungen zu:
Länge der Antriebsseitenschwingarme 11, 12 I_D = 20 mm
Dicke der Stimmgabel t = 1,5 mm
Breite der Antriebsseitenschwingarme 11, 12 W_D = 2,9 mm
Breite der Nachweisseitenschwingarme 13, 14 W_S = 2,0 mm
Länge der Nachweisseitenschwingarme 13, 14 I_S = 17 mm
Länge des Halteelements 16 der Nachweisseitenstimmgabel I_SB = 3,1 mm
Schlitzintervall der Antriebsseitenschwingarme 11, 12 S₁ = 3,0 mm
Schlitzintervall der Nachweisseitenschwingarme 13, 14 S₂ = 4,0 mm kann die Resonanzfrequenz durch Zuschneiden angepasst werden, und wurde die Resonanzfrequenz in der X_D-Mode auf f_DX = 9830 Hz, f_SZ = 5335 Hz gesetzt. In dieser Ausführungsform sind die Antriebsresonanzfrequenz f_DX und Nachweisresonanzfrequenz f_SZ voneinander verschieden. Dieses keramische Material ist aus drei wesentlichen Komponenten Pb(Mg_1/3Nb_2/3) O₃-PbTiO₃-PbZrO₃ (nachfolgend PCM-System genannt) zusammengesetzt, und wird durch Sintern erhalten. Das verwendete PCM-System wies einen Young-Modulus in X-Richtung von Ex = 7,945 × 10¹¹ (N/m²), einen Young-Modulus in Z-Richtung von Ez = 7,862 × 10¹¹ (N/m²), und eine Dichte von p = 7,645 × 19³ (kg/m³) auf.
Neben der in der obigen Ausführungsform verwendeten Zusammensetzung bestand Zusammensetzung im Wesentlichen aus Perowskitkristallstruktur, wie z. B. PbTiO₃, Pb(Zr-Ti)O₃, LiNbO₃, LiTaO₃, und Wolframbronze-artigen Kristallstrukturen, z. B. PbNb₂O₆, oder ihre zusammengesetzte Metalloxide können ebenfalls verwendet werden, und die gleichen Effekte erhalten werden.
Als ein zweites spezifisches Ausführungsbeispiel im Fall von f_DX ≠ f_SX und f_DX ≠ f_SZ, in obigem Beispiel, unter der Annahme, bei Wo anzupassen, ohne die Länge der Schwingarme zu variieren, sind die Bedingungen
Breite der Antriebsseitenschwingarme 11, 12 Wo = 1,66 mm
andere Spezifikationen Alle wie oben
so dass die Resonanzfrequenzen f_DX = 534 Hz und f_SZ = 5335 Hz betragen, und somit geringfügig anders sind, da die effektive Länge der Schwingarme mit der Breite W_D, W_S und Dicke t der Schwingarme variiert, so dass die Resonanzfrequenz durch Zuschneiden auf f_DX ≠ f_SZ ≠ 5342 Hz gesetzt wurde.
Übrigens ist das Ausmaß der Annäherung von f_DX ⇋ f_SZ im Resonanztypdesign abhängig von der Frequenzcharakteristik des Sensorausgangs bezüglich der von außen angelegten eingegebenen Winkelgeschwindigkeit ω.
Das Zuschneiden wurde durch Verfahren durchgeführt, wobei die Ecke des vorderen Endes des Schwingarms schräg geschnitten wurde, die Wurzel des Schwingarmes in eine V-Nut geschnitten wurde, der untere Teil des Halteelements zugeschnitten wurde, oder durch Ankleben und Hinzufügen einer kleinen Masse an das vordere Ende, gemäß bekannten Verfahren.
Die Position zur Halterung oder Montage der Stimmgabel wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
7 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Oszillationsmode, in welcher Vorzeichen + und – sich auf die Amplitudenphasen der Z_S-Mode der Nachweisseitenstimmgabel beziehen, wenn die Corioliskraft wirksam ist.
Wenn die Antriebsseitenschwingarme 11, 12 in der Antriebsmode in X-Richtung sind, d. h. in der X_D-Mode, werden die Schwingarme 13, 14 der Nachweisseitenstimmgabel in die Schwingmode von q und r mit Verengung an der inneren Seite induziert, d. h., X_S-Mode. Wenn dabei eine Winkelgeschwindigkeit von ω um die Y-Achse von außen angelegt wird, schwingt der Schwingarm 13 in der näheren Richtung k und der Schwingarm 14 schwingt in der weiteren Richtung p, wobei dies als Z_S-Mode definiert wird, in der Z_S-Mode in der Dickenrichtung der Stimmgabel, wobei die Mittellinie der Stimmgabel die Knotenlinie α (durch die gepunktete Linie angegeben) der Schwingung in Richtung der Y-Achse ist, und das Halteelement 16 der Nachweisseitenstimmgabel + und – in der linken und rechten Amplitudenphase bezüglich der Grenze der Linie α ist, und die Schwingarme 13, 14 in umgekehrten Phasen sind. Durch Unterstützen auf der Linie α ist es eine Halterungsmethode, die widerstandsfähig gegenüber äußeren Störungen ist, ohne die Schwingung der Nachweisstimmgabel zu bremsen. Darüber hinaus ist bevorzugt, dass die Lage, mit kleinem Effekt auf die Antriebsseitenmaschinenimpedanz, so niedrig wie möglich auf der Linie α ist.
Der Stimmgabeltypkristalloszillator, der zur Zeit in Uhren oder Ähnlichem verwendet wird, schwingt nur in der X-Richtung, d. h. in der Breitenrichtung der Stimmgabel, und daher kann, falls der untere Bereich des Stimmgabelhalteelements fixiert ist, der Effekt auf die Resonanz praktisch ignoriert werden, aber in umgekehrter Phasenschwingung in der Z-Richtung, d. h., der Dickenrichtung der Stimmgabel, falls der untere Bereich des Halteelements fixiert oder gehaltet wird, hat es einen beträchtlichen Effekt auf Resonanz, und daher ist die Haltungsmethode der Erfindung eine sehr vernünftige Methode.
Als Referenz wird das Designverfahren der Resonanzfrequenz unten unter Bezugnahme auf 1 der Ausführungsform beschrieben. Die Stimmgabelschwingarme, die in 1 gezeigt sind, können als Ausleger vom Standpunkt der Theorie der elektrischen und akustischen Schwingungstechniken gehandhabt werden, aber die effektive Länge der Stimmgabelschwingarme ist länger als I_D, und als h_D angenommen, wobei die Resonanzfrequenz f_DX der X_D-Mode in Formel 1 ausgedrückt wird.
wobei α = 1,875 (Frequenznormalkonstante)
Ex: Young-Modulus des keramischen piezoelektrischen Materials in X-Achsenrichtung
ρ: Dichte des keramischen piezoelektrischen Materials
A: Faktor, der durch die Intervallabmessungen g₁, g₂ des Halteelements und der Schwingarme der Stimmgabel bestimmt wird, sind.
Die Resonanzfrequenz f_sx in der X_S-Mode der Nachweisstimmgabelseite die in der X_D-Mode induziert ist, ist, unter Annahme der effektiven Länge der Nachweisseitenschwingarme zu hs, in Formel 2 ausgedrückt.
wobei B ein Faktor ist, der durch die Länge I_SB des Halteelements der Stimmgabel bestimmt wird, und durch Intervallabmessungen g₁, g₂ der Schwingarme, ein Wert, der sehr nahe bei A liegt.
Die Ausbildungsbedingung für die mechanische Kopplung des Stimmgabelhalteelements für das Induzieren der X_S-Mode ist Formel 1 = Formel 2, so dass Formel 3 erhalten wird.
Somit ist als Richtlinie für das Design der Form und der Dimension der Stimmgabel bekannt, dass sie so ausgebildet werden sollte, um Formel 3 zu genügen.
Nebenbei ist durch Wahl der drei Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von der Ausbildung von W_D, w_s und I_D die Beziehung
I_s ≥ I_D
ebenfalls möglich.
Was weiterhin die Resonanzfrequenz f_SZ der Z-Mode betrifft, kann diese, da es experimentell bekannt ist, dass die effektive Länge der Schwingarme in der Z-Mode länger als h_S ist, und als h_Z angenommen wird, in Formel 4 ausgedrückt werden.
wobei Ez der Young-Modulus des keramischen piezoelektrischen Materials in der Z-Achsenrichtung ist.
Falls das Design der Stimmgabel des Resonanztyps die Bedingung ist, reicht es aus, Formel 2 = Formel 4 oder Formel 1 = Formel 4 zu genügen, d. h., Formel 5 oder Formel 6 wird erhalten.
Daher können das Verhalten der Dicke (t) der Breiten (W_S), (W_D) der Nachweisseitenstimmgabelschwingarme von den effektiven Längen der Schwingarme (h_Z/h_S)² und (h_Z/h_D)² durch Messen ihrer Young-Moduli E_Z, E_X bestimmt werden.
Bei der Ausführungsbedingung, die sowohl Formel 3 als auch Formel 5 genügt, d. h., durch Gleichsetzen der drei Frequenzen f_DX, f_SX und f_SZ, kann eine hohe Empfindlichkeit erwartet werden, aber es erfordert viel Zeit und Mühe, diese Frequenzen bei der Herstellung anzupassen und die Kosten werden erhöht, und daher wird der Fall f_DX = f_SX ≠ f_SZ und f_SZ = f_DX ≠ f_SX bevorzugt. Der Q-Wert der Resonanz des Keramikmaterials ist niedriger als der von Kristall, und in dem PCM-Material, das hierbei verwendet wird, beträgt Q etwa 800 bis 1000, und es ist einfacher zu f_DX = f_SX zu verarbeiten, als ein Kristall. Ferner, unter Verwendung des Entartungsphänomens, kann es etwa auf f_DX ⇋ f_SX gesetzt werden.
Schließlich werden der Winkelgeschwindigkeitssensor, der aus dem keramischen piezoelektrischen Material der Ausführungsform besteht, und eine Ausführungsform des Schaltkreises zum Betreiben und Nachweisen, unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 8 und 9 sind Schaltdiagramme für das Monitorverfahren entsprechend den 5 und 6. 8 und 9 sind Blockdiagramme von Antriebs- und Nachweisschaltkreisen, und 10 zeigt die qualitativen Aktionswellenformen von Teilen.
In 8 und 9 bezeichnet das Bezugszeichen 28 eine GND-Elektrode als Referenzpotenzial des Signals, 29 eine Antriebselektrode, 30 eine Nachweiselektrode, und 31 eine Monitorelektrode. In 10 bezeichnet Bezugszeichen 32 einen Stromverstärker des Monitorschaltkreises, 33 einen Ladungsverstärker des Nachweisschaltkreises, 34, 35 sind AC-Spannungsverstärker, 36 ist eine Antriebsspannungsteuerung, 37 ist ein AC/DC-Konverter, 38 ist ein Nulldurchgangskomparator, 39 ist ein Orthogonaldetektor, und 40 ist ein integraler DC-Verstärker.
Die 8, 9 und 10 zeigen ein bekanntes Monitorsystem zum Stabilisieren der eigenen Schwingung, und es ist ferner eine Eigenheit der Erfindung, dieses an keramische piezoelektrische Stimmgabeln vom zusammengesetzten Typ anzuwenden und dadurch neue Effekte zu erhalten. Durch Anwenden einer AC-Spannung an die Antriebselektro de 29 über die Antriebsspannungssteuerung 36, wie in 11(a) gezeigt, schwingen die Schwingarme der kammförmigen Stimmgabel in der X_D-Mode und X_S-Mode, und eine zeitlich veränderliche elektrische Ladung wird in der Monitorelektrode 31 erzeugt (der dadurch generierte Stromfluss wird nachfolgend Monitorstrom genannt), und der Strom wird durch den Stromverstärker 32 nachgewiesen, während die Spannung Null ist, und wird über die Wirkungen der AC-Spannungsverstärker 34, 35 und der Antriebsspannungssteuerung 36 positiv an die Antriebsspannung 29 rückgekoppelt. Da die Stimmgabel eine Art mechanischer Filter zur Verstärkung nur der Resonanzfrequenz ist, und die positive Rückkopplungsschleife vom Schwingarm 11 zum Schwingarm 12 ein Resonanzfrequenzeigenschwingungsschaltkreis mit sehr hoher Schärfe (Q-Wert) ist. In einer einzelnen Stimmgabel müssen die Monitorelektrode und die Nachweiselektrode an einem Schwingarm vorgesehen sind, und im f_DX = f_SZ-System (Resonanztypstimmgabelausbildung) ist der Schaltkreis für die Signalverarbeitung kompliziert und das Verhältnis S/N (Signal/Rausch-Verhältnis) ist schlecht und die Kosten sind hoch.
Bezug genommen wird ebenfalls auf 11. Die Coriolisschwingung der Z_S-Mode, die in der Phase um 90 Grad an der X-Richtung abweicht, wird durch die Nachweiselektrode 30 als ein Nachweisstrom (Strom bei Verschwinden der Spannung), gezeigt in 11(d), nachgewiesen, welcher in der Phase um 90 Grad vom Monitorstrom abweicht, der in 11(c) gezeigt ist.
Auf der anderen Seite wird von der Nachweiselektrode 30 ein Kopplungsnachweisstrom a', der in 11(d) gezeigt ist, bei Verschwinden der Spannung in Phase mit dem Monitorstrom durch X_S-Modenkopplungsschwingung (nachfolgend Z_MS genannt) mechanisch mit der X_D-Modenschwingung gekoppelt, ebenfalls nachgewiesen. Dieser Kopplungsnachweisstrom a' ist im Allgemeinen sehr groß, verglichen mit dem Nachweisstrom a aufgrund der Corioliskraft, und wird in Überlagerung nachgewiesen, so dass es notwendig ist, diese zu separieren. Demzufolge werden beide Ströme im Ladungsverstärker 33 integriert, um ein Ladungssignal, wie in 11(e) gezeigt, zu erhalten und daraus wird aus dem in Phasenvergleichssignal des Monitorstroms, der in 11(c) gezeigt ist, ein orthogonales Nachweistimingsignal, das in 11(g) gezeigt ist, unter Verwendung des Nulldurchgangkomparators 38 erzeugt. Bei dessen Verwendung als Nachweissignal, wenn orthogonaler Nachweis am Ladungssignal in 11(e) durch den orthogonalen Detektor 39 durchgeführt wird, wird das Ladungssignal b in 11(e) durch den Nulldurchgangspunkt des Monitorstroms in 11(c) invertiert, und das orthogonale Nachweisausgangssignal c in 11(f) erhalten. Nach Durchgang durch den integralen DC-Verstärker 40 wird die vom Nachweisstrom abgeleitete Wellenform als effektiver DC-Wert aufgrund der Corioliskraft ausgegeben, und ist im orthogonalen Nachweisausgangssignal c von 11(f) dargestellt, und die Wellenform c', die vom Kopplungsstrom abgeleitet wird, wird Null als eine Folge der Integration, so dass beide Ströme separiert werden.
12 ist ein modifiziertes Beispiel der Erfindung, bei welchem die inneren zwei Schwingarme Antriebsseitenschwingarme 11, 12 sind, um die Antriebsseitenstimmgabel zu bilden, und die äußeren zwei Nachweisseitenschwingarme 13, 14 sind, um die Nachweisseitenstimmgabel zu bilden, und die Dickenrichtung der Stimmgabel (Z-Achsenrichtung) teilweise polarisiert ist. Die Bezugszeichen der Elektrode entsprechen denjenigen von 9.
In dieser Ausführung des Winkelgeschwindigkeitssensors vom keramischen piezoelektrischen Verbindungstyp wird das S/N (Signal/Rausch)-Verhältnis der Ausgangsempfindlichkeit für die Corioliskraft um etwa 15 bis 18 dB gegenüber dem in 32 dargestellten Stand der Technik verbessert, und es konnte bestätigt werden, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor des keramischen piezoelektrischen Verbindungstyps mit außergewöhnlich kleinen Temperaturdrifteigenschaften (abhängig vom S/N (Signal/Rausch)-Verhältnis) bei niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
(Zweite Ausführungsform)
Als eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein kristalliner Winkelgeschwindigkeitssensor nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Zunächst wird unter Verwendung einer Stimmgabel in Kammform das Antriebsnachweissystem des so genannten Monitortyps hauptsächlich nachfolgend beschrieben.
Nach dem Beschreiben des Aufbaus hinsichtlich der grundlegenden und schematischen Struktur (Übereinstimmung der Kristallachse des Kristallmaterials und der Richtung der Stimmgabel) wird das Betriebsprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors erklärt, und nachfolgend das Monitorsystem beschrieben, das Setzen der Resonanzfrequenzbeziehungen der X_D-Schwingung, X_S-Schwingung, Z_S-Schwingung, und Z_D-Schwingung, und des Verbindungsverfahrens zum externen Halteelement, und zwar nacheinander, wobei Einrichtungen zum Lösen der Probleme mitangesprochen werden.
Ein schematischer Aufbau der Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 15 bis 22 beschrieben. 15 zeigt das äußere Aussehen der Ausführungsform der kammförmigen zusammengesetzten Stimmgabel, und diese Form ist dazu vorgesehen, die effektive Verwendung des Kristallmaterials im Volumen des Oszillators als Problem 6 zu erreichen. In 15 bezeichnet das Bezugszeichen 110 eine zusammengesetzte Stimmgabel in einer Kammform, in welcher die Breitenrichtung der Stimmgabel (angenommene X-Richtung) aus dem Kristallmaterial die elektrische Achse der Kristallachse des Kristallmaterials ist, und die longitudinale Richtung der zusammengesetzten Stimmgabel (angenommene Y-Richtung) und die Dickenrichtung (angenommene Z-Richtung) jeweils Richtungen sind, die um θ Grad um die elektrische Achse, beginnend mit der mechanischen und optischen Achse der Kristallachse, gedreht sind, und ein gemeinsames Halteelement 111 am unteren Ende vorgesehen ist, und vier parallele Schwingarme 112, 113, 114, 115 über dem Halteelement 111 gebildet sind. Die äußeren zwei Schwingarme 112, 115 von den Schwingarmen 112 bis 115, werden als die Antriebsseitenstimmgabel verwendet, und die inneren zwei Schwingarme 113, 114 als die Nachweisseitenstimmgabel. In der Mitte des Halteelements 111 ist ein Loch 134 vorgesehen, um die kammförmige Stimmgabel 110 auf ein externes Halteelement zu montieren.
Die 16 und 17 zeigen die Richtung der Stimmgabel und die Richtung der Materialanisotropie des Kristalls, und in der kammförmigen Stimmgabel 110 in 16 ist die Breitenrichtung (X-Richtung) in Übereinstimmung mit der elektrischen Achse der Kristallachse des Kristallmaterials gebracht, und die longitudinale Richtung (Y-Richtung) der Stimmgabel und die Dickenrichtung (Z-Richtung) der Stimmgabel sind so vorgesehen, dass sie einen Winkel θ ≠ 0 mit der elektrischen Achse und optischen Achse der Kristallachse des Kristallmaterials bilden. 17 zeigt ein Beispiel, wie die kammförmige Stimmgabel 110 ausgebildet wird, so dass die Richtungen X, Y, Z die durch die Form der Stimmgabel angedeutet sind, jeweils mit der elektrischen Achse, mechanischen Achse und optischen Achse des Kristallmaterials übereinstimmen können (der Winkel θ kann Null sein), und die Wahl von 16 oder 17 erfolgt, um einen Kompromiss zwi schen hoher Empfindlichkeit, Stabilität der Empfindlichkeit, und Responseverhalten für Winkelgeschwindigkeit als Problem 1 zu lösen.
Das heißt, der Winkel θ wird derart festgelegt, um die Empfindlichkeit über die Stabilisierung der Temperaturcharakteristiken der Resonanzfrequenz des Kristalls zu stabilisieren, und ist für gewöhnlich innerhalb einem oder zwei Grad bei der einfachen Stimmgabel, die in Uhren oder ähnlichen Anwendungen verwendet wird, festgelegt. In der Ausführungsform als Winkelgeschwindigkeitssensor ist jedoch eine hohe Empfindlichkeit erforderlich, aber in der Anwendung, wie z. B. bei Fahrzeugnavigation, in welcher Response vergleichsweise nicht erforderlich ist, wird ein bestimmter Wert von θ gesehen, um die Resonanzfrequenz der X_D-Schwingung und Z_S-Schwingung präzise festzusetzen, wie später erwähnt wird, wohingegen in Anwendung für Fahrzeughaltungssteuerung eine vergleichsweise niedrige Empfindlichkeit, aber hohes Responseverhalten erforderlich ist, so dass ein genaues Festlegen der Resonanzfrequenz der Schwingung in jeder Richtung nicht erforderlich ist, so dass θ Null ist.
19 und 21 zeigen Elektroden und Anschlussstrukturen, die gleich wie die in 15 sind. 19 betrifft die Elektroden und Anschlussstruktur gemäß einem allgemeinen Verfahren (nachfolgend Nicht-Monitorverfahren genannt), und 21 betrifft die Elektrodenanschlussstruktur nach dem so genannten Monitorverfahren.
Zuerst Bezug nehmend auf die gemeinsamen Bereiche in 19, welche das Nicht-Monitorverfahren zeigt, und 21, die das Monitorverfahren zeigt, werden an der vorderen und rückseitigen Oberfläche eines äußeren Schwingarmes 112 und Halteelements 111 der Antriebsseitenstimmgabel +-Seitenantriebselektroden 116, 117 gebildet, an der vorderseitigen und rückseitigen Oberfläche des anderen Schwingarmes 115 –-Seitenantriebselektroden 120, 121 gebildet, und auf beiden seitlichen Oberflächen +-Seitenantriebselektroden 122, 123 gebildet. An den vorderseitigen und rückseitigen Oberflächen der zwei Schwingarme 113, 114 und dem Halteelement 111 der inneren Nachweisseitenstimmgabel werden Nachweiselektroden 126, 129 innen an der vorderen Oberfläche und außen an der hinteren Oberfläche gebildet, und –-Seitennachweiselektroden 127, 128 außen an der vorderseitigen Oberfläche und innen an der rückseitigen Oberfläche. Darüber hinaus werden die +-Seite bzw. –-Seite der Antriebselektrode, und die +-Seite bzw. –-Seite der Nachweiselektrode in leitfähigen Mustern 124, 125 ver bunden, so dass Antriebselektroden auf der Seitenoberfläche und Rückseitenoberfläche des Halteelements 111 gebildet werden, oder in einem umgedreht π-förmigen, leitfähigen Muster, wie beim Halteelement 111 in 15 dargestellt, im Fall der Nachweiselektrode, oder – bei der Ausführungsform nicht gebildet – an einem externen Schaltkreis über einen leitfähigen Draht im Fall der Elektrode, die nicht mit dem Halteelement verbunden werden kann, das geometrisch in Phase ist, z. B. im Fall der +-Seitenantriebselektrode 116 (in diesem Zusammenhang werden zum Zwecke der Ausbildung des Ausleseausschlusses alle so gehandhabt, als wären sie auf dem leitfähigen Muster des Halteelements verbunden).
Die Anschlussverkabelung, die sich zwischen dem Monitorverfahren und dem Nicht-Monitorvertahren unterscheidet, wird nachfolgend beschrieben. Für die Anschlussstruktur in 19 des Nicht-Monitorverfahrens, werden +-Seitenantriebselektroden 116, 117, 122, 123 mit einem Antriebsanschluss (D) 130 verbunden, –-Seitenantriebselektroden 118, 119, 120, 121 mit einem Antriebsreferenzanschluss (DGND) 131, +-Seitennachweisanschlüsse 126, 129 mit einem Nachweisanschluss (S) 132, und –-Seitennachweisanschlüsse 127, 128 mit einem Referenzanschluss (GND) 133.
Bei der Anschlussstruktur in 21 des Monitorverfahrens werden +-Seitenantriebselektroden 116, 117 mit einem Antriebsanschluss (D) 135 verbunden, +-Seitenantriebselektroden 122, 123 mit einem Monitoranschluss (M) 136, +-Seitennachweisanschlüsse 126, 129 mit einem Nachweisanschluss (S) 137, und –-Seitenantriebselektroden 118, 119, 120, 121 und –-Seitennachweiselektroden 127, 128 mit einem Referenzanschluss (GND) 138 (nachfolgend werden die Schwingarme der Antriebselektroden-116-, -117-Seite der Antriebsseitenstimmgabel Schwingungsantriebsarme genannt, und Schwingarme an der Antriebselektrode 122, 123 Monitorschwingarme genannt).
22 ist ein strukturelles Diagramm, das einen Schaltkreis zur Erklärung des Monitorverfahrens zeigt und die Elektroden und Anschlussstruktur unter Bezugnahme auf 19 beschreibt: Bezugszeichen 139 ist ein Stromverstärker für den Nachweis des Stroms durch die elektrische Ladung, die in den +-Seitenantriebselektroden 122, 123 erzeugt wurde (nachfolgend Monitorstromsignal genannt), direkt bei Referenzpotenzial durch imaginäres Kurzschließen über den Monitoranschluss (M) 136, 137 ist ein Ladungsverstärker zum Nachweis der elektrischen Ladung, die in den +-Seitennachweiselektroden 126, 129 erzeugt wurde (nachfolgend Nachweisladungssignal genannt) direkt am Referenzpotenzial durch imaginäres Kurzschließen über den Nachweisanschluss (S) 137, 141, 142 sind AC-Spannungsverstärker, 144 ist ein AC/DC-Wandler, und 143 ist eine Antriebsspannungssteuerung zum Steuern des Verstärkungsfaktors des Ausgangs des AC-Spannungsverstärkers 144 über negative Rückkopplung seines eigenen Ausgangssignals, abhängig vom Ausgang des AC/DC-Wandlers 144, um so das Monitorstromsignal konstant zu halten, und sein Ausgang (nachfolgend Antriebsspannung genannt) ist mit dem Antriebsanschluss (D) 135 verbunden. Bezugszeichen 145 ist ein Nulldurchgangskomparator, um das Ausgangssignal des AC-Spannungsverstärkers 141 mit dem Referenzpotenzial zu vergleichen, und sein Ausgangssignal ist eine Rechteckwellenform in Phase mit dem Ausgangssignal des AC-Spannungsverstärkers 141. Bezugszeichen 146 ist ein Inphasendetektor zum Konvertieren ausschließlich von Signalen der gleichen Frequenz und der gleichen Phase wie das Monitorstromsignal in ein DC-Signal, in dem das Ausgangssignal des AC-Spannungsverstärkers 142 normal oder zurück rotiert wird, welches zuständig für den Nachweis des Ladungssignals auf Grundlage des Timings der Polaritätsänderung durch den Nulldurchgangskomparator 145 ist, und 147 ist ein Integralfilter, um schließlich die DC-Komponente des Ausgangssignals des Inphasendetektors 146 auszugeben. Das heißt, das Ausgangssignal des Nulldurchgangskomparators 145 ist ein Timingsignal für Inphasennachweis.
Es wird nun das Nicht-Monitorverfahren von 22 nur in den Punkten erläutert, in dem es sich vom Monitorverfahren unter Bezugnahme auf 19 unterscheidet: der Stromverstärker 139 besitzt den Antriebsreferenzanschluss (DGND) 131 als Eingangsanschluss, und weist den Strom aufgrund der elektrischen Ladung (nachfolgend Antriebsstromsignal genannt) nach, der aufgrund der mechanisch-elektrischen Konversion in dem –-Seitenantriebselektroden 118, 119, 120, 121 auftritt, und invertiert die Polarität des Ausgangssignals des AC-Spannungsverstärkers 141, verglichen mit dem Monitorsystem. Die Antriebsspannungssteuerung funktioniert also so, dass sie das Antriebsstromsignal konstant hält, und der Inphasendetektor 146 weist das Nachweisladungssignal auf Grundlage des Referenztimings des Antriebsstromsignals nach. Im Antriebsanschluss (D) 135 und Antriebsreferenzanschluss (DGND) 131 fließt, abgesehen vom Antriebsstrom, ein Strom in elektrostatische Kapazität (nachfolgend Antriebsladungsstrom genannt), der von der Induktion von Kristallmaterial herrührt, das zwischen den zwei Anschlüssen vorhanden ist. Diese elektrostatische Kapazität existiert ebenfalls zwischen dem Monitoranschluss (M) 136, Nachweisanschluss (S) 137, und Referenzanschluss (GND) 133, aber da diese mit dem Referenzanschluss (GND) 133 über einen imaginären Kurzschluss verbunden sind, wird keine Spannung erzeugt, so dass kein Einfluss auf den Vorgang vorliegt.
Dies ist der grundlegende Aufbau der Ausführungsform, und das Ausführungsprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors der Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 15, 19, 20 und 23 beschrieben.
Durch Anlegen der Antriebsspannung, die das Ausgangssignal der Antriebsspannungssteuerung 143 des so ausgebildeten Schaltkreises ist, zwischen dem Antriebsanschluss (D) 135 und dem Antriebsreferenzanschluss (DGND) 131, oder zwischen dem Antriebsanschluss (D) 135 und dem Referenzanschluss (GND) 138, wird ein elektrisches Feld +/– in der X-Richtung der Antriebsseitenstimmgabel erzeugt, und aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften des Kristalls eine Ausdehnungsspannung in der Y-Richtung erzeugt, und eine anfängliche Schwingung der Stimmgabel gestartet. Proportional zum Schwingungsniveau wird ein Antriebsstrom von dem Antriebsreferenzanschluss (DGND) 131 erzeugt, oder es wird ein Monitorstrom aus dem Monitoranschluss (M) 136 erzeugt, und das elektrische Signal wird über den Stromverstärker 139 und AC-Spannungsverstärker 141 des oben beschriebenen Schaltkreises positiv an die Antriebsspannungssteuerung 143 rückgekoppelt. Der Resonanzpunkt der X_D-Schwingung, die eine Stimmgabelschwingung ist, hat eine sehr hohe Schärfe Q, und daher erreicht die "offene Schleife"-Charakteristik der positiven Rückkopplungsschleife ihr Maximum, wenn die Ausbeute die Resonanzfrequenz der XD-Schwingung (nachfolgend f_Xd genannt) wird. Was auf der anderen Seite die Phase bezüglich der Antriebsspannung bei Frequenz f_Xd anbelangt, so beträgt der Antriebsstrom null Grad, und der Monitorstrom wird um 180 Grad invertiert, und an der Schaltkreisseite, bezüglich dem Antriebsreferenzanschluss (DGND) 131 bei Frequenz f_Xd, beträgt der Antriebsanschluss (D) 135 null Grad, und der Antriebsanschluss (D) 135 wird um 180 Grad bezüglich dem Monitoranschluss (M) 136 invertiert, und somit beträgt sowohl bei dem Nicht-Monitorverfahren als auch dem Monitorverfahren die Phase insgesamt null Grad. In dieser negativen Rückkopplungsschleife wird daher die Schwingungsbedingung bei Frequenz f_Xd eingerichtet, und XD-Schwingung als elektrische und mechanische Kopplungsschwingung beginnt mit der Eigenschwingung. Was das XD-Schwingungsniveau anbelangt, so wird das XD-Schwingungs niveausignal des AC/DC-Wandlers 144 in ein DC-Signal umgewandelt, und negative Rückkopplung an die Antriebsspannungssteuerung 143 angelegt, um so auf einem festgelegten Schwingungsniveau stabil betrieben zu werden.
Die Spannungs- und Kraftwandlung, und Schwingungsgeschwindigkeit und Stromwandlung, die piezoelektrische Phänomene in der kristallinen Stimmgabel sind, werden speziell als das elektrische Feld ± in Richtung der elektrischen Achse (X) des Kristalls des Antriebsseitenschwingarms, an dem die Antriebsspannung angelegt wird, in Spannung ± in Richtung der mechanischen Achse (Y) umgewandelt, der Schwingarm wird in X-Richtung abgelenkt, und die Schwingung wird angeregt und aufrechterhalten, einschließlich des anderen Schwingarms durch Stimmgabelkopplung oder Resonanzkopplung. Wenn Schwingung induziert wird, hat jeder Schwingarm eine Schwingungsgeschwindigkeit in der X-Richtung, und weist intern eine ±-Spannungsgeschwindigkeit (Zeitableitung der Spannung), und zwar in Y-Richtung. Die Spannung in der Y-Richtung im Kristall erzeugt Polarisationsladung in der X-Richtung durch Spannungsladungskonversion, was eine Elektrodenladung bewirkt. Das heißt, Umwandlung von Schwingungsgeschwindigkeit und Strom wird bewirkt, und der Antriebsstrom und Monitorstrom treten als Ergebnis davon auf.
An dem Schwingarm, an dem die Antriebsspannung angelegt wird, werden Umwandlung der Antriebsspannung und Antriebskraft, Response der Antriebskraft und Schwingungsgeschwindigkeit, und Umwandlung der Schwingungsgeschwindigkeit und des Antriebsstroms durchgeführt, und an dem Monitorschwingarm, an dem keine Spannung angelegt ist, wird Response der Stimmkraftkopplungskraft und Schwingungsgeschwindigkeit, und Umwandlung der Schwingungsgeschwindigkeit und des Monitorstroms durch Stimmgabelkopplung durchgeführt. Bei der Konversion wird die Phase gehalten. Nebenbei, da die XD-Schwingung ein Resonanzzustand ist, sind die Schwingungsgeschwindigkeitsresponse zur Antriebskraft und Schwingungsgeschwindigkeit zur Stimmkraftkopplungskraft in Phase. Auf der anderen Seite hat der Schwingarm, der ohne Resonanz mechanisch an die XD-Schwingung gekoppelt ist, eine von f_Xd verschiedene Resonanzfrequenz, und daher verursacht die Schwingungsgeschwindigkeitsresponse bezüglich des nichtresonanten Koppelns eine Phasenverschiebung von 90 Grad.
Dabei koppelt diese DX-Schwingung (i, j) Kraft über mechanisches Koppeln des Halteelements 111 und bewirkt eine Kraft, um XS-Schwingung (q, r) in umgekehrter Phase zur X-Richtung zu den Schwingarmen 113, 114 zu induzieren, und eine große XS-Schwingung kann in Abhängigkeit von der Resonanzfestlegung der Resonanzfrequenz der XS-Schwingung induziert werden. Das Diagramm zeigt (i, j) und (q, r) in umgekehrten Phasen, abhängig von der Phasenbeziehung zwischen dem Fuß des Antriebsseitenschwingarms und dem Fuß des Nachweisseitenschwingarms, kann die Beziehung entweder in Phase sein oder phasenverkehrt.
Auf diese Weise werden die Schwingungsniveaus der XD-Schwingung und XS-Schwingung durch das Verfahren der Steuerung des Antriebsstroms oder Monitorstromssignals durch die Antriebsspannungssteuerung 143 konstant gehalten. Dieser Zustand ist der Antriebsanregungszustand des Sensors, und wenigstens eine spezifische XD-Schwingung wird erzeugt und aufrechterhalten.
Wenn eine Drehwinkelgeschwindigkeit Ω von außen über die Halterung in die gesamte Stimmgabel gelangt, wirkt die Corioliskraft auf den Abschnitt, der eine XD-Schwingung (i, j) oder XS-Schwingung (q, r) durchführt. Dies liegt daran, dass die Corioliskraft Fc auf den Abschnitt mit Masse m einwirkt, der eine Geschwindigkeit gemäß der folgenden Formel aufweist.
Fc = 2·m·vxΩ
wobei Fc, v, Ω Vektoren sind, das Skalarprodukt bezeichnet, x das Vektorprodukt bezeichnet und v die Geschwindigkeit der XD-Schwingung oder XS-Schwingung ist. Die Komponente der Corioliskraft in Z-Richtung induziert ZD-Schwingung (h, u) oder Z-Schwingung (p, k). Im nichtresonanten Fall zwischen der XS-Schwingung und XD-Schwingung ist die ZD-Schwingung auf der Grundlage der XD-Schwingung mit der ZS-Schwingung gekoppelt, und ZS-Schwingung wird auf jeden Fall induziert. Die Phase der ZD-Schwingung und ZS-Schwingung ist die Phase, mit der die Antriebskraft mit maximaler Corioliskraft erhalten wird, wenn die Geschwindigkeit v der XD-Schwingung oder XS-Schwingung maximal ist, d. h., wenn die Auslenkung Null ist.
Wenn die ZS-Schwingung induziert wird, tritt eine Spannung in Y-Richtung der Schwingarme 113, 114 der Nachweisseitenschwinggabel auf, und dielektrische Polarisation tritt entlang der X-Richtung auf, und Bewegung von Ladung geschieht von der Nachweisseitenelektrode 127 nach 126, von 128 nach 129. Dabei entspricht die Richtung (±) der Bewegung der Richtung von (p, k).
Der Auslöscheffekt der Translationsbeschleunigung wird nachfolgend beschrieben. Die Translationsbeschleunigung wirkt direkt in Phase mit dem Nachweisseitenschwingarm, und damit ist die Schwingung oder Verschiebung aufgrund der Translationsbeschleunigung in Phase. Das heißt, die Richtung von (p, k) ist die gleiche, oder zwei erzeugte elektrische Ladungen heben sich innerhalb der Nachweisseitenelektroden 127 und 126 oder 128 und 129 auf, die den Schwingarm überspannen, und daher nicht an dem Nachweisanschluss (S) 132 auftreten.
Die aufgrund der Corioliskraft bewegte Ladung wird sofort nachgewiesen und durch die Bewegung von Ladung durch den Ladungsverstärker 141 zwischen dem Antriebsanschluss (D) 135 und dem imaginär kurzgeschlossenen Nachweisanschluss (S) 137 eliminiert, und Spannung wird im Nachweisanschluss (S) 137 nicht erzeugt. Das Ausgangssignal des Ladungsverstärkers 140 wird mittels des AC-Spannungsverstärkers 142 verstärkt, und nur die Komponente mit der gleichen Frequenz und der gleichen Phase wie das Monitorstromsignal (d. h., Winkelgeschwindigkeitssignal) wird als DC-Signal über den Inphasendetektor 146 ausgegeben, und über den Integralfilter 147 in ein vollständiges DC-Signal umgewandelt, das schließlich ausgegeben wird.
Weiter über den Inphasennachweis ausführend, wird im Ladungsverstärker 140, abgesehen vom Winkelgeschwindigkeitssignal, Extraladung auf der Achse der unerwünschten ZS-Schwingung nicht eliminiert, welche unnötigerweise mit der XD-Schwingung oder XS-Schwingung gekoppelt ist (dies unterscheidet sich um 90 Grad von der Phase der Corioliskraft, da es in Phase schwingt, wenn die maximale Kopplungsantriebskraft bei maximaler XD-Schwingungsamplitude), unerwünschte Ladung auf Grundlage von Schwingung durch auftretende Translationsbeschleunigung, EMC-Rauschen und andere erzeugt werden, selbst wenn der Winkelgeschwindigkeitseingang null ist. All diese unerwünschten Ladungen weisen eine andere Frequenz als das Winkelgeschwindigkeitssignal auf, oder weichen um 90 Grad in der Phase ab, und können somit nachge wiesen und durch den Inphasendetektor 146 abgeschwächt werden, aber werden nicht in DC-Signale umgewandelt. Sie werden somit durch den Integralfilter 147 in der nächsten Stufe deutlich abgeschwächt und treten im endgültigen Ausgangssignal nicht auf.
Die elektrischen Wellenformen von Teilen entsprechend den obigen Betriebsprinzipien werden in 23 beschrieben. Diagramm (a) ist eine Antriebsspannungswellenform am Antriebsanschluss (D) 135 unter Eigenschwingung durch XD-Schwingung. Diagramm (b) ist eine Antriebsspannungswellenform, die im Antriebsanschluss (D) fließt. Die Antriebsspannung wird in eine Antriebskraft derselben Phase mit Hilfe der piezoelektrischen Charakteristiken des Kristalls umgewandelt, und im resonanten XD-Schwingungszustand ist die Antriebskraft in einem Gleichgewichtszustand mit umgekehrter Phase zur Reaktion aufgrund des Viskositätswiderstandes und Reibungswiderstandes proportional zur Schwingungsgeschwindigkeit der XD-Schwingung, und die Trägheitskraft und elastische Kraft des Schwingungsarms sind in gegenseitig umgekehrten Phasen ausbalanciert mit einer um 90 Grad verschiedenen Phase. Somit fließt gemäß dem Energieumwandlungsprinzip des Ansteuerns die Stromkomponente proportional zur Geschwindigkeit der XD-Schwingung in Phase als Antriebsstrom. Auf der anderen Seite hat der Kristall eine elektrostatische Kapazität zwischen dem Antriebsanschluss (D) 135 und dem Referenzanschluss (GND) 138, und der Ladungsstrom zu dieser elektrostatischen Kapazität (nachfolgend Antriebsladungsstrom) fließt 90 Grad vor der Antriebsspannung. Dies liegt daran, dass die zwei Komponenten überlagert werden, so dass die Antriebsstromwellenform (b) in der Phase leicht vor der Antriebsspannungswellenform (a) liegt. Diagramm (c) zeigt einen Monitorstrom, der im Monitoranschluss (M) 136 fließt, und dieser ist in Phase mit dem Antriebsstrom. Der Antriebsstrom und Monitorstrom werden als + in Flussrichtung in die Stimmgabel ausgedrückt.
Die Wellenformen auf der Nachweisseite wer den beschrieben. Diagramm (d) ist eine Winkelgeschwindigkeitsnachweisladungswellenform, und (d') ist eine Ladungswellenform auf Grundlage der unerwünschten ZS-Schwingung. Die unerwünschte ZS-Schwingung basiert auf der Antriebskraft, und die ZS-Schwingung durch Winkelgeschwindigkeit basiert auf der Corioliskraft, so dass beide in der Phase um 90 Grad auseinanderliegen. Da die elektrische Ladung ein integrierter Wert eines Stroms ist, wird die unerwünschte ZS-Schwingungsladungswellenform (d') um 90 Grad bezüglich der Antriebsspannungswellenform (a) verzögert (in Phase mit der Antriebskraft). In diesem Fall ist die Winkel geschwindigkeitsnachweisladungswellenform kleiner. Der Stromverstärker 139 erzeugt einen Spannungsausgang als überlagerte Wellenform von (d) und (d') und diese Wellenform geht in den Inphasendetektor 146 direkt in Phase ein. Auf der anderen Seite, gemäß der Monitorstromwellenform (c), wird die Timingsignalwellenform (e) des Inphasennachweises aus dem Nulldurchgangskomparator 145 ausgegeben. Die Diagramme (f') und (f) drücken Ausgangswellenformen des Inphasendetektors entsprechend der unerwünschten ZS-Schwingungsladungswellenform (d') und Winkelgeschwindigkeitsnachweisladungswellenform (d) aus. Schließlich werden (f') und (f) durch den Integralfilter 147 integriert und die resultierende DC-Wellenform ausgegeben, so dass (f) aufgrund der unerwünschten ZS-Schwingung nahezu vollständig abgeschwächt wird und das Wellenformniveau von (f) auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit des Ausgangs ausgegeben wird.
In dieser Ausführungsform wird eine spezifische Ausbildung des Winkelgeschwindigkeitssensors und seine Probleme, Lösungsmethoden und Wirkungen nachfolgend beschrieben. Zuerst bezugnehmend auf das Monitorverfahren, zusammen mit dem Nicht-Monitorvertahren, wird beabsichtigt, dem Kompromiss von höherer Empfindlichkeit und niedrigerer Spannung als Problem 2 auszuwählen und zu lösen, und den Kompromiss von geringerer Größe (höherer Empfindlichkeit), Offset und Temperaturdrift als Problem 3, und individuelle Merkmale werden unten beschrieben.
Das Antriebsstromsignal beim Nicht-Monitorverfahren ist ein Strom, der die Spannung begleitet, die zwischen den Antriebsanschluss (D) 130 und dem Antriebsreferenzanschluss DGND) 131 liegt, und daher, abgesehen vom reinen Antriebsstrom entsprechend der Resonanzschwingungsgeschwindigkeit der XD-Schwingung des Kristalls, wird ein Antriebsladungsstrom, der sich in der Phase unterscheidet und in der elektrostatischen Kapazität als dielektrisches Element des Kristalls fließt, agiert, und wenn diese elektrostatische Kapazität eine Temperaturcharakteristik aufweist, wird dies eine mögliche Störungsgröße für ein Konstantsteuerungssystem des Antriebsstromsignals, und die Empfindlichkeit wird instabil, und es wird ebenso ein Störfaktor für das Referenztiming des Inphasendetektors, wobei eine Verschlechterung des Offsets und des Temperaturdrifts eintritt. Da jedoch die Antriebsenergie von beiden Schwingarmen der Antriebsseitenschwinggabel bereitgestellt wird, ist die Spannungseffizienz des Antriebs bezüglich der Empfindlichkeit hoch. Das heißt, obwohl das Nicht-Monitorsystem eine geringe Präzision aufweist, wird es bevorzugt dann verwendet, wenn eine niedrige Spannungsspezifikation erforderlich ist.
Im Gegensatz dazu, beim Monitorverfahren, da der Monitoranschluss (M) 136 imaginär mit dem Referenzpotenzial durch den Strom verstärkte 139 kurzgeschlossen ist, fließt ein Antriebsladungsstrom, der die elektrostatische Kapazität des dielektrischen Elements des Kristalls begleitet, nicht im Monitoranschluss (M). Folglich wird nur der Monitorstrom, der perfekt proportional zur Geschwindigkeit des Monitorseitenschwingarms mit Resonanz XD-Schwingung der Stimmgabel ist, im Monitoranschluss erzeugt. Anders als bei dem Nicht-Monitorverfahren ist es somit frei von Störungen, die durch Strom verursacht werden, der in der elektrostatischen Kapazität fließt. Das Monitorverfahren weist nur eine geringe Spannungseffizienz des Antriebs bezüglich der Empfindlichkeit auf, und es wird bevorzugt in solchen Anwendungen verwendet, bei denen eine geringere Spannungsspezifikation und höhere Empfindlichkeit erwünscht ist.
Was den Kompromiss von höherer Empfindlichkeit und Winkelgeschwindigkeitsresponse als Problem 1 anbelangt, so wird ein Fall des Auswählens und Lösens nachfolgend allgemein beschrieben. 18 zeigt Abmessungen der Ausführungsform in Kammform, die mittels Blattsäge, Sandstrahlen, anderem mechanischen Verfahren, oder Fotolithografie oder anderen Ätztechniken aus dem Kristall gebildet wurde, und die Abmessungen sind z. B. wie folgt festgelegt.
Länge der Schwingarme 12, 15 der Antriebsseitenstimmgabel I_D = 21,00 mm
Breite der Schwingarme 12, 15 der Antriebsseitenstimmgabel W_d = 1,00 mm
Länge der Schwingarme 13, 14 der Nachweisseitenstimmgabel I_S = 9,98 mm
Breite der Schwingarme 13, 14 der Nachweisseitenstimmgabel W_S = 0,80 mm
Dicke der kammförmigen Stimmgabel t = 0,70 mm
Breite der gesamten kammförmigen Stimmgabel W = 5,0 mm Länge der Halterung der Antriebsseitenstimmgabel L_db = 4,00 mm
Länge der Halterung der Nachweisstimmgabel L_Sb = 1,02 mm
Schlitzintervall der Schwingarme der Antriebsseite und Nachweisseite S₁ = 0,50 mm
Schlitzintervall der Schwingarme 13, 14 der Nachweisseitenstimmgabel S₂ = 0,40 mm
Die obigen Werte der Abmessungen gehören zu dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der so beabsichtigt ist, dass die Resonanzfrequenz f_Xd der XD-Schwingung und die Resonanzfrequenz f_XS der XS-Schwingung nahezu gleich sind, und verschieden von der Resonanzfrequenz f_ZS der ZS-Schwingung, und es so ausgebildet, dass f_Xd = f_XS = 6635 Hz, und f_ZS = 5251 Hz. Aufgrund der Einschränkungen der Prozessgenauigkeiten ist bedingt, dass die Unstimmigkeit f_Xd – f_XS auf 1 Hz oder weniger durch Ablängen angepasst wird. Dies ist beabsichtigt, um die maximale Corioliskraft auf der Nachweisseitenstimmgabel beim Eingang von Winkelgeschwindigkeit durch Übertragen einer ausreichenden umgekehrten Phasenschwingung in X-Richtung (XS-Schwingung) an die Nachweisseitenstimmgabel zu übergeben, durch perfekte Resonanz der XS-Schwingung bezüglich der XD-Schwingung im selbst erregten Resonanzzustand.
Mit diesen Abmessungen ist die Frequenz der Corioliskraft in umgekehrter Phase in Z-Richtung der Nachweisseitenstimmgabel die Eigenschwingungsfrequenz f_Xd der XD-Schwingung, und in diesem Fall ist die Verstimmung f_ZS – f_Xd = –1384 Hz von f_ZS und f_Xd groß, und somit ist die umgekehrte Phasenschwingung in Z-Richtung (ZS-Schwingung) der Nachweisseitenstimmgabel als Reaktion auf die Corioliskraft weit von der Resonanz mit der XD-Schwingung entfernt, und als ein Ergebnis ist dies die Dimensionierung entsprechend der bei hoher Geschwindigkeit eingegebenen Winkelgeschwindigkeit. Die Empfindlichkeit ist jedoch kleiner als im Fall der Dimensionierung mit W_d = 0,78 mm, die unten beschrieben wird. Dies ist ein bevorzugter Wert für die Lagesteuerung eines Fahrzeuges oder Ähnlichem, wobei die Hochgeschwindigkeitsresponse aufgrund des Winkelgeschwindigkeitseingangsbereichs relativ groß ist.
Wenn nur die Breite der Schwingarme 112, 115 der Antriebsseitenstimmgabel auf W_d = 0,78 mm geändert wird, so führt dies zu f_Xd = 5275 Hz, und die Dimensionierung betrifft die Dimensionen, die zu dem Winkelgeschwindigkeitssensor gehören, bei dem beabsichtigt ist, dass die Resonanzfrequenz f_Xd der XD-Schwingung und die Resonanzfrequenz f_XS der XS-Schwingung neu zugleich sind, und ebenso neu zugleich zur Resonanzfrequenz f_ZS der ZS-Schwingung, und zusätzlich zum Ablängen hinsichtlich der oben beschriebenen Dimensionierung, kann die Verstimmung f_Xd – f_ZS von f_Xd und f_ZS auf 24 Hz ± 1 Hz durch Nachschneiden angepasst werden.
Die Dimensionierung hat eine hohe Empfindlichkeit für die eingegebene Winkelgeschwindigkeit, nicht nur, was das Erreichen der maximalen Corioliskraft an die Nachweisseitenstimmgabel durch Resonanz von XD-Schwingung und XS-Schwingung wie bei der oben beschriebenen Dimensionierung anbelangt, sondern auch, was das Näherbringen der ZS-Schwingung zur Resonanz (um nahe bei der Resonanz zu sein) als Reaktion anbelangt. Jedoch ist die Responsegeschwindigkeit geringer als bei der oben beschriebenen Dimensionierung mit W_d = 1,00 mm. Dies ist eine bevorzugte Dimensionierung für Navigationssysteme für Fahrzeuge oder Ähnliches, die einen geringen Winkelgeschwindigkeitseingangsbereich aufweisen und mit vergleichsweise niedriger Responsegeschwindigkeit verwendbar sind.
Das Zuschneiden kann mit jedem bekannten Verfahren durchgeführt werden, wie z. B. schrägem Abschneiden der Ecke des vorderen Endes der Schwingarme 112 bis 115, V-Nutschneiden an der Fußlinie der Schwingarme 112 bis 115, Schneiden des Bodens des Halteelements 111, und Ankleben und Hinzufügen von kleinen Massen zum vorderen Ende.
Durch Ändern der Breite W_S der Nachweisseitenstimmgabel, wobei W_d = 0,78 mm aufrechterhalten wird, variiert f_XS, und daher kann ein Winkelgeschwindigkeitssensor erzeugt werden, bei dem f_Xd und f_XS dieselben sind, aber f_XS anders ist. Dies dient nicht nur dazu, Problem 1 zu lösen, sondern auch, um eine kleinere Größe zu erreichen, und eine Verbesserung des Offsets und des Temperaturdrifts als Problem 3. In dieser Aus bildung ist die XS-Schwingung der Nachweisseitenstimmgabel nicht mit der XD-Schwingung der Antriebsseitenstimmgabel in Resonanz, und die Antriebsseitenstimmgabel empfängt ausschließlich die Corioliskraft in umgekehrter Phase in der Z-Richtung, wenn die Winkelgeschwindigkeit eingegeben wird. Diese Corioliskraft ist mechanisch mit der Nachweisseitenstimmgabel über das Halteelement der Stimmgabel bei der Frequenz der Resonanz-XD-Schwingung gekoppelt, und die ZS-Schwingung der Nachweisseitenstimmgabel ist groß, da die Resonanzfrequenz nahe bei der Resonanzfrequenz der XD-Schwingung ist, und somit funktioniert sie als Winkelgeschwindigkeitssensor. Es ist eine Eigenheit dieser Ausbildung, dass die XS-Schwingung nicht mit der XD-Schwingung resonant ist, so dass die unerwünschte mechanische Kopplung der XD-Schwingung an die ZS-Schwingung nicht auftritt, so dass unerwünschte ZS-Schwingungskomponenten nahezu eliminiert werden können, was zur Verbesserung des Offsets und der Temperaturverschiebung führen kann.
Bei der oben beschriebenen Dimensionierung, durch Ändern der Dicke T der Stimmgabel, und Variieren der Länge Ls des Schwingarms an der Nachweisseitenschwinggabel, um die resultierende Änderung von f_ZS zu eliminieren, um gleich zwischen f_Xd und f_ZS zu sein, und bei weiterer Dimensionierung, um f_Zd und f_Xd gleich zu machen, während f_XS verschieden ist, kann ein Winkelgeschwindigkeitssensor zusammengestellt werden, und diese Ausbildung kann Problem 1 lösen und Problem 3 lösen, wie im obigen Fall. Es ist eine Eigenheit dieser Ausbildung, dass nicht nur der Offset und sein Temperaturdrift verbessert werden, sondern auch die hohe Empfindlichkeitscharakteristik erreicht wird, indem die ZX-Schwinung der Antriebsseitenstimmgabel durch die Corioliskraft, die in der Antriebsseitenstimmgabel auftaucht, mitschwingt, und weiterhin die ZS-Schwingung der Nachweisseitenstimmgabel mitschwingt.
Die obige Resonanzfestlegung der Resonanzfrequenz ist auch möglich bei zwei einfachen Stimmgabeln, allerdings nur in der XD-Schwingung und ZS-Schwingung, aber wenn die Antriebselektrode und Nachweiselektrode an den Schwingarmen näher beieinander vorgesehen sind, trägt die Antriebsspannung dielektrische Ladung zur Nachweiselektrode über die elektrostatische Kapazität des Kristalls, und es gerät in Phase mit dem Winkelgeschwindigkeitssignal und kann nicht durch den Inphasendetektor 146 getrennt werden, so dass es einen Offset und seine Temperaturverschiebung verursachen kann. Auf der anderen Seite, wenn die Antriebselektrode und Nachweiselektrode separat an dem rechten und linken Schwingarm vorgesehen sind, wird der Eliminationseffekt der Translationsbeschleunigung eliminiert, und eine große Ladung aufgrund von Translationsbeschleunigung erscheint an dem Nachweisanschluss (S) 132, und sie bleibt nach dem Nachweis und der Dämpfung mittels des Inphasendetektors als DC-Spannung übrig.
Die folgende Beschreibung soll die drei Probleme lösen, d. h., unerwünschte Empfindlichkeit für externe Translationsbeschleunigung als Problem 4, Verwirklichung eines niedrigen Offsets und seines Temperaturdrifts als Problem 5, und Linderung von externen Einflüssen als Problem 6.
Das kleine Loch 134 ist, wie 20 gezeigt, eine Lochstruktur für ähnliche symmetrische Verbindung mit externem Halteelement auf Grundlage der Mittellinie für symmetrisch zusammengesetzte Stimmgabeln innerhalb der XY-Ebene, wobei ein Schwingungsleck nach außen durch Anbringen auf den Ausgleichsknotenpunkten in der X-Richtung der Stimmgabel der XD-Schwingung und XS-Schwingung abgeschwächt wird, wobei der Offset und der Offsettemperaturdrift reduziert werden, und wenn die ZS-Schwingung (Z-Richtungsschwingung in umgekehrter Phase der Nachweisseitenstimmgabel) und ZD-Schwingung (Z-Richtungsschwingung in umgekehrter Phase der Antriebsseitenstimmgabel) als Response auf die Corioliskraft in Phase sind, d. h., wenn die Drehschwingung um die Y-Achse (diese heißt Y-Rotationsschwingung) induziert wird, wird mechanische Impedanz der Y-Rotationsschwingung stabilisiert und gesetzt, oder im Fall von umgekehrter Phase (dabei wird die Y-Rotationsschwingung eliminiert), ein Schwingungsleck nach außen wird abgeschwächt, bei der Konfiguration auf den Ausgleichsknotenpunkten bei der Schwingungs-Y-Bewegungen, wodurch der Offset und der Offtsettemperaturdrift reduziert werden. Ob die ZS-Schwingung und ZD-Schwingung in Phase sind (Zustand, in dem Y-Rotationsschwingung induziert wird) oder außer Phase (Zustand, in dem Y-Rotationsschwingung eliminiert wird) hängt von der Konfiguration der inneren Füße von Innenseiten- und Außenseitenschwingarmen (entsprechend der Antriebsseite und Nachweisseite) bezüglich des Halteelements in der Y-Richtung ab, und wenn die Innenseitenfußposition der Innenseitenstimmgabel an der vorderen Endseite der Stimmgabel ist, wird Y-Rotationsschwingung induziert, und wenn sie an der Halteelementseite ist, wird Y-Rotationsschwingung eliminiert.
Das heißt, die Empfindlichkeit wird durch die ZS-Schwingung verursacht, aber es ist die strukturelle Impedanz der Nachweisseitenschwingarme und des Halteelements 111, die es grundsätzlich bestimmt. Jedoch wird der Grad der Freiheiten beim Design erhöht, da die strukturellen Auswirkungen des Verbindungshalteelements mit der Außenseite entweder verbunden oder nicht verbunden sein kann, wie unten beschrieben wird. Wenn die Resonanzfrequenz f_ZS der ZS-Schwingung verschieden von der Resonanzfrequenz f_Xd der ZD-Schwingung ist, ist das ZS-Schwingungsniveau vergleichsweise gering, und die ZS-Schwingung und ZD-Schwingung sind so in der Wechselkonfiguration vorgesehen, um Y-Rotationsschwingung zu induzieren, um ein Drehmoment auf die gesamte Stimmgabel anzulegen, so dass das flexible Niveau des Schwingarms in der ZS-Schwingung durch die mechanische Impedanz durch das externe Halteelement, das mit dem Loch 134 verbunden ist, bestimmt werden kann. Mit anderen Worten: wenn die externe Halterung steif ist, konzentriert sich die flexible Schwingung auf den Schwingarm, und ein Design mit hoher Empfindlichkeit wird erreicht, oder wenn sie weich ist, konzentriert sich die flexible Schwingung auf das externe Halteelement, und ein Design mit niedriger Empfindlichkeit wird erreicht. Das Design mit niedriger Empfindlichkeit besitzt einen relativ großen Eingangsbereich der Winkelgeschwindigkeit, und stellt ein ideales Design für die Lagekontrolle eines Fahrzeugs oder Ähnliches dar, wobei eine Hochgeschwindigkeitsresponse erforderlich ist.
Wenn die Resonanzfrequenz f_ZS der ZS-Schwingung gleich der Resonanzfrequenz f_Xd der ZD-Schwingung ist, ist das ZS-Schwingungsniveau groß, und die Resonanzfrequenz f_Zd der ZD-Schwingung ist ebenso dasselbe, und die ZS-Schwingung und ZD-Schwingung sind dahingehend konfiguriert, dass die Y-Rotationsschwingung eliminiert wird, und die Drehmomente beider Schwingungen sich gegenseitig auslöschen. Dies ist eine ideale Ausbildung für die Navigation eines Fahrzeugs oder Ähnlichem, bei welchen der Eingangsbereich für Winkelgeschwindigkeiten schmal ist, und welcher bei vergleichsweise niedrigerer Responsegeschwindigkeit verwendbar ist.
Das heißt, die ZS-Schwingung ist grundsätzlich über das Halteelement 111 der Schwingarme an die Stimmgabel gekoppelt, so dass keine Designeinschränkungen an das externe Halteelement gegeben sind, um die Empfindlichkeit aufrechtzuerhalten, und die Freiheitsgrade beim Design können ausreichend aufrechterhalten werden, um den Einfluss und die verringerte Empfindlichkeit aufgrund externen Translationswinkelge schwindigkeit zu lindern, und daher ist das Design der Abschwächung von interner Schwingungsreflektion zur Stabilisation des Offsets einfach sowohl bei der XD-Schwingung als auch bei der ZS-Schwingung.
Wie beim Fall des Lochs 134 in der Ausführungsform ist es weniger wahrscheinlich, wenn das externe Halteelement auf der Mittellinie symmetrisch in der Y-Richtung vorgesehen ist, dass Y-Richtungsrotationsabweichung an die externe Translationsbeschleunigung induziert wird und der Reduziereffekt der externen Translationsbeschleunigungsempfindlichkeit wird weiter verstärkt.
Um das oben beschriebene Ausbildungsobjekt zu erhalten, kann die externe Nalteverbindungsnummer, gesehen vom Loch 134, eine vorstehende Struktur oder eine flache Verbindungsstruktur sein, so lange die Struktur symmetrisch um die Mittellinie symmetrisch auf der zusammengesetzten Stimmgabel innerhalb der XY-Ebene ist.
Schließlich wird als Referenz ein Ausbildungsverfahren für die Resonanzfrequenz unten unter Bezugnahme auf 18 beschrieben.
Die Schwingarme 112 bis 115 der kammförmigen Stimmgabel 110, die in 18 gezeigt ist, können als Ausleger vom Gesichtspunkt der Theorie des elektrischen und akustischen Schwingungen gehandhabt werden, und unter der Annahme, dass die effektive Länge der Schwingarme 112, 115 H_d ist, länger als L_d, kann die Resonanzfrequenz f_Xd der XD-Schwingung wie in Formel 1 ausgedrückt werden.
wobei α = 1,875 (Frequenznormalkonstante)
Ex: Young-Modulus des Kristallmaterials in X-Richtung
ρ: Dichte des Kristallmaterials
A: Faktor, der durch die Länge L_DS des Halteelements und die Intervallabmessungen S₁, S₂ der Schwingarme der Stimmgabel bestimmt wird Die Resonanzfrequenz f_XS der XS-Schwingung der Nachweisseitenstimmgabel, die durch die XD-Schwingung induziert wird, unter Annahme, dass die effektive Länge der Nachweisseitenschwingarme 113, 114 H_S ist, kann auf ähnliche Weise in Formel 2 ausgedrückt werden.
wobei B ein Faktor ist, der durch die Länge L_SB des Halteelements der Stimmgabel bestimmt wird, und durch die Intervallabmessungen S₁, S₂ der Schwingarme, ein Wert sehr nahe bei A.
Die Bedingung der mechanischen Kopplung des Stimmgabelhalteelements zur Induzierung von XS-Schwingung ist Formel 1 = Formel 2, und somit ist bekannt, dass eine Ausbildung erforderlich ist, die Formel 3 erfüllt.
Durch Auswählen der drei Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von der Wahl von W_d, W_S und L_d ist auch die Beziehung L_S ≥ L_d möglich.
Was die Resonanzfrequenz f_ZS der ZS-Schwingung anbelangt, ist experimentell bekannt, dass die effektive Länge der Schwingarme in der ZS-Schwingung länger als H_S ist, wobei, wenn sie als H_Z angenommen wird, sie durch Formel 4 ausgedrückt werden kann, und falls das Stimmgabeldesign des Resonanztyps die Bedingung ist, reicht es aus, Formel 2 = Formel 4 oder Formel 1 = Formel 4 zu erfüllen.
wobei Ez: Young-Modulus des Kristallmaterials in der Z-Achsenrichtung ist,
d. h., Formel 5 oder Formel 6 wird erhalten.
Somit kann das Verhältnis der Dicke T und der Breiten W_S, W_d der Nachweisseitenstimmgabelschwingarme aus den effektiven Längen (H_Z/H_S)² und (H_Z/H_d)² der Schwingarme 113, 114 durch Messen der Young-Moduli Ez, Ex bestimmt werden. In dieser Ausführungsform, wurde unter Verwendung bekannter Konstanten vor der Rotation berechnet, um einen Anhaltspunkt zu erlangen, da θ = 3°.
Bei der Designbedingung, die sowohl Formel 3 und Formel 5 genügt, d. h., durch Gleich setzen der drei Frequenzen f_Xd, f_XS und f_ZS, wird eine hohe Empfindlichkeit erwartet, aber es erfordert viel Zeit und Mühe, die Frequenzen bei der Herstellung anzupassen, und die Kosten werden erhöht, und daher wird der Fall f_Xd = f_XS ⇋ f_ZS und f_ZS = f_ZS ⇋ f_XS bevorzugt. Der Q-Wert für die Resonanz des Kristallmaterials ist hoch, über 10 000, und es ist oft schwierig, f_Xd = f_XS bei der Herstellung zu erreichen, und unter Verwendung des Entartungsphänomens, kann es etwa auf f_Xd ⇋ f_XS gesetzt werden.
Zum Beispiel, beim Design dieser Stimmgabel in einer Tannenform, unter Annahme, dass die äußeren Schwingarme 151, 152 an beiden Enden halb befestigt sind, und dass der erste eigene Wert β ist, wird die Resonanzfrequenz f_Xd der XD-Schwingung entsprechend 1 wie in 7 angegeben, und unter weiterer Berücksichtigung, dass die Länge zweifach länger ist, trägt f_Xd etwa 1,59 mal ( [β/α]² – 4 ), verglichen mit dem Fall einer kammförmigen Stimmgabel, und W_d kann für den entsprechenden Abschnitt reduziert werden.
wobei β = 4,7300 (Frequenznormalkonstante)
(Dritte Ausführungsform)
Bei Verwenden einer Stimmgabel in einer Tandemform wird eine Ausführungsform für ein Nicht-Monitortyp-Antriebsnachweisverfahren unten beschrieben. Der Unterschied der Tandemform von der Kammform liegt in der komplizierten Struktur und hohen Empfindlichkeit. Das Betriebsschema, Details der Ausbildung, Probleme, Lösungseinrichtungen, und Wirkungen sind im Wesentlichen die gleichen, wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen und werden daher beschrieben.
Eine schematische Darstellung der Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 24 bis 31 beschrieben. 24 zeigt das Aussehen der Ausführungsform in der tandemförmigen zusammengesetzten Stimmgabel, bei welcher Bezugszeichen 148 eine zusammengesetzte Stimmgabel in Form einer Tandemform zeigt, welche aus Kristallmaterial hergestellt wird, wobei die Richtung der Breite der Stimmgabel (angenommene X-Richtung) auf die elektrische Achse der Kristallachse des Kristallmaterials gelegt wird, und die longitudinale Richtung (angenommene Y-Richtung) und Dickenrichtung (angenommene Z-Richtung) der zusammengesetzten Stimmgabel jeweils um θ Grad um die elektrische Achse von der mechanischen Achse bzw. optischen Achse der Kristallachse des Kristallmaterials verdreht ist, und gemeinsame Halteelemente 149, 150 an den oberen und unteren Enden vorgesehen sind, Antriebsseitenschwingarme 151, 152 an beiden Seiten gesehen sind, um die Halteelemente 149, 150 zu verbinden, und zwei Nach weisseitenschwingarme 153, 154 und 155, 156 paarweise innen an den Halteelementen 149, 150 vorgesehen sind. In der Mitte der Halteelemente 149, 150 sind winzige Löcher 157, 158 ausgebildet, um die tandemförmige Stimmgabel 148 an das externe Halteelement zu montieren.
In dieser Ausführung werden die zwei Schwingarme 151, 152 als die Antriebsseitenstimmgabel verwendet, und die vier Schwingarme 153 bis 156 als die Nachweisseitenschwinggabel, und folglich werden zwei kammförmige Stimmgabeln Ende-an-Ende kombiniert, und die Antriebsseitenstimmgabel ist eine integrale Struktur, die von den Nachweisseitenstimmgabel isoliert ist, so dass die Ausgangsempfindlichkeit doppelt so hoch ist.
25 zeigt die Richtung der Stimmgabel und Richtung der Materialanisotropie des Kristalls im Gegensatz zu 24, und bei tandemförmigen Stimmgabel 148 von 24, stimmt die Breitenrichtung (X-Richtung) mit der elektrischen Achse der Kristallachse des Kristallmaterials überein, und die longitudinale Richtung (Y-Richtung) der Stimmgabel und Dickenrichtung (Z-Richtung) der Stimmgabel werden so gesetzt, dass sie einen Winkel θ ungleich Null mit der mechanischen Achse und der optischen Achse der Kristallachse des Kristallmaterials bilden, wohingegen der Winkel θ in 25 gleich Null ist. dies geschieht in der Absicht, um einen Kompromiss für höhere Empfindlichkeit, Empfindlichkeitsstabilität und Responseverhalten für Winkelgeschwindigkeit als Problem 1 auszuwählen und zu lösen.
In 31 sind die zwei inneren Schwingarme 151, 152 kontinuierlich und werden als die Schwingarme der Antriebsstimmgabel verwendet, und vier Schwingarme 153, 154, 155, 156 der Nachweisseitenstimmgabel werden gebildet, so dass die gleiche Ausbildung und Wirkungsweise realisiert werden kann.
27 und 28 zeigen die Elektroden und Anschlussstruktur der tandemförmigen zusammengesetzten Stimmgabel von 24 und 25. In einem Antriebsseitenschwingarm 151 werden +-Seitenantriebselektroden 159, 160 auf den vorderseitigen und rückseitigen Oberflächen gebildet, und –-Seitenantriebselektroden 161, 162 auf den beiden seitlichen Oberflächen, und im anderen Antriebsseitenschwingarm 152 werden –-Seitenantriebselektroden 163, 164 auf den vorderseitigen und rückseitigen Oberflächen gebildet, und +-Seitenantriebselektroden 165, 166 auf beiden seitlichen Oberflächen, wobei die mittleren Teile der Schwingarme für die Verbindung dünn gemacht werden. In den mittleren Teilen, kann jedoch die Wirksamkeit des Antriebselektroden höher sein, indem so angeordnet wird, dass das Muster in der Mitte vom unteren Teil um 90 Grad verdreht werden kann, um zu den jeweils angrenzenden Oberflächen zu verbinden und zu bewegen, und zur ursprünglichen Oberfläche zurückzukehren, wenn der obere Teil bewegt wird.
Bei den zwei Schwingarmen 153, 154 und dem Halteelement 149 der oberen inneren Nachweisseitenstimmgabel wird eine –-Seitennachweiselektrode 169 an der inneren Seite vorgesehen und eine +-Seitennachweiselektrode 170 an der äußeren Seite der vorderen Oberfläche, und eine +-Seitennachweiselektrode 171 an der inneren Seite und eine –-Seitennachweiselektrode 172 an der äußeren Seite der rückseitigen Oberfläche vorgesehen.
Bei den zwei Schwingarmen 155, 156 und dem Halteelement 150 der unteren inneren Nachweisseitenstimmgabel wird eine –-Seitennachweiselektrode 173 an der inneren Seite und eine +-Seitennachweiselektrode 174 an der äußeren Seite der vorderen Oberfläche vorgesehen, und eine +-Seitennachweiselektrode 175 an der inneren Seite und eine –-Seitennachweiselektrode 176 an der äußeren Seite der rückseitigen Oberfläche vorgesehen.
Weiterhin sind die +-Seitenantriebselektroden 159, 160, 165 und 166 der Antriebsseitenstimmgabel mit einem Antriebsanschluss (D) 177 verbunden, –-Seitenantriebselektroden 161, 162, 163, 164 mit einem Antriebsreferenzanschluss (DGND) 178, +-Seitenantriebselektroden 170, 171, 174, 175 der Nachweisseitenstimmgabel mit einem Nachweisanschluss (S) 179, und –-Seitennachweiselektroden 169, 172, 173, 176 mit einem Referenzanschluss (GND) 180.
30 ist ein Elektrodenverschaltungsdiagramm für den Fall, bei dem dieser Winkelgeschwindigkeitssensor im Monitorverfahren betrieben und nachgewiesen wird.
Für eine tandemförmige zusammengesetzte Stimmgabel ist die Herstellung mittels einer Drahtsäge oder einer Blattsäge schwierig, aber über Herstellungsprozesse, wie z. B. Sandstrahlen oder Ätztechniken, wie Fotografie, kann man diese, verglichen mit der Kammform, kompliziertere Struktur zu denselben Kosten hergestellt werden. 26 zeigt das Abmessungsdiagramm des tandemförmigen Winkelgeschwindigkeitssensors, in welchem die Abmessungen wie folgt gesetzt sind (z. B.).
Länge der Schwingarme 151, 152 der Antriebsseitenstimmgabel I_d = 22,00 mm
Breite der Schwingarme 151, 152 der Antriebsseitenstimmgabel W_d = 0,62 mm
Länge der Schwingarme 153 bis 156 der Nachweisseitenstimmgabel I_S = 9,74 mm Breite der Schwingarme 153 bis 156 der Nachweisseitenstimmgabel W_S = 0,80 mm
Dicke der tandemförmigen Stimmgabel T = 0,70 mm
Breite der gesamten tandemförmigen Stimmgabel W₂ = 5,00 mm
Schlitzintervall der Schwingarme zwischen Antriebsseite und
Nachweisseite S₁ = 0,50 mm
Schlitzintervall der Schwingarme der Nachweisseitenstimmgabel S₂ = 0,40 mm
Die oben beschriebene Dimensionierung liefert Abmessungen, die zu einem Winkelgeschwindigkeitssensor gehören, der nahezu die gleiche Resonanzfrequenz f_Xd in der XD-Schwingung und Resonanzfrequenz f_XS in der XS-Schwingung aufweisen soll, und eine unterschiedliche Resonanzfrequenz f_ZS der ZS-Schwingung, und ist so ausgebildet, dass f_Xd = f_XS = 6766 Hz und f_ZS = 5251 Hz.
Allein durch Verringern der Breite der Schwingarme 112, 150 der Antriebsseitenschwinggabel, um auf f_Xd = 5275 Hz gesetzt zu werden, und der Festlegung der Abmessung liefert Abmessungen, die zum Winkelgeschwindigkeitssensor gehören, der nahezu gleiche Resonanzfrequenz f_Xd der XD-Schwingung und Resonanzfrequenz f_XS der XS-Schwingung, und nahezu gleiche Resonanzfrequenz f_ZS der ZS-Schwingung aufweist.
Bei Verwendung einer solchen tandemförmigen zusammengesetzten Stimmgabel wird eine Empfindlichkeit erreicht, die etwa 2,1-fach höher als die des kammförmigen Winkelgeschwindigkeitssensors ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie hierin beschrieben, ist der Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung eine kammförmige Stimmgabel mit einer Mehrzahl von parallelen Schwinggabelschwingarmen mit einem gemeinsamen Halteelement, welche auf der Knotenlinie α der Schwingung in der longitudinalen Richtung der Stimmgabel und nahe dem Oberflächenende des Halteelements gehalten wird, und daher ist die Schwingungstransmissioneffi zienz ausgezeichnet und die Nachweisempfindlichkeit kann erhöht werden. Da die Funktionen separiert und verändert werden, indem zwei der vier kammförmigen Schwingarme für den Antrieb (Steuerung) und die anderen beiden für den Nachweis verwendet werden kann, wird ein Eindringen des Antriebssignals (Steuerungssignals) auf die Nachweisseite verhindert, und darüber hinaus kann durch die teilweise Polarisation und das Elektrodenteilsystem unter Verwendung der Eigenschaften des keramischen piezoelektrischen Materials ein Entfernen einer späten Kapazität und ein Entfernen von unerwünschter Schwingung des Halteelements erreicht werden, so dass das elektrische und mechanische S/N (Signal/Rausch)-Verhältnis spürbar verbessert werden kann. Ferner, da die Stimmgabel eine keramisch integrale Form aufweist, verglichen mit dem Stand der Technik, ist die Anzahl von Stimmgabeln doppelt so hoch, und die Form und Abmessungen der Stimmgabeln werden so gesetzt, um Biegeschwingungen zu erreichen, und die Beziehung f_DX = f_SX, f_DX = f_SZ zu erhalten, so dass der Temperaturdrift aufgrund der Erhöhung der Empfindlichkeit sehr gering ist, und Leckströme des Antriebssignals auf die Nachweisseite unterdrückt werden, und der Winkelgeschwindigkeitssensor mit hohem Leistungsvermögen und stabilen keramischen piezoelektrischen Verbindungstypwinkelgeschwindigkeitssensor wird präsentiert.
Stabile Selbsterregung durch Monitorantriebssystem, das für die zusammengesetzte Stimmgabel geeignet ist, Verbesserung des S/N (Signal/Rausch)-Verhältnisses durch Separation des von Z_MS abgeleiteten Monitorstroms, und andere praktische Effekte werden erwartet, und da der untere Teil oder beide Enden des Halteelements auf der Knotenlinie α der Schwingung in der ZS-Mode der Nachweisseitenstimmgabel gehalten werden, kann es 5000 G im Aufpralltest und 3 m beim Falltest widerstehen, und ist daher für Automobile geeignet, und es kann zu niedrigen Kosten hergestellt werden und der industrielle Wert ist außerordentlich. Darüber hinaus kann es in zusammengesetzter Stimmgabelstruktur mit Kammform oder Tandemform hergestellt werden, und durch optimales Auswählen der Richtung der Stimmgabel bezüglich der Richtung der Anisotropie des Kristalls kann fast Resonanzbeziehung für die Resonanzfrequenz jeder Oszillation erreicht werden, und durch das Antriebsnachweisverfahren ist es möglich, (1) kleinere Größe, höhere Empfindlichkeit, und daher Reduzierung der Kosten für Rauschmaßnahmen im Schaltkreis, Substrat und Gehäuse zu erreichen, (2) Stabilität der Sensibilität, (3) Reduzierung des Offsets, (4) Reduzieren des Offsettemperaturdrifts, (5) Reduzierung der externen Translationsgeschwindigkeitsempfindlichkeit, (6) Erhö hung der Zuverlässigkeit gegenüber externen Aufprallen und (7) Erhöhung der Effektivität des Kristallmaterials.

Claims

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor, gekennzeichnet durch integrale Ausbildung einer Stimmgabel (10, 110) in Form eines Kamms mit vier parallelen Schwingarmen, welche aus flachem keramischen, piezoelektrischen Material oder kristallinem Material hergestellt sind, und eines gemeinsamen Stimmgabelhalteelements (15, 16, 111), Definieren der X-Achse des dreidimensionalen Koordinatensystems in Richtung der Breite der Schwingarme (11–14, 112–115) und des Halteelements (15, 16, 111), der Y-Achse in der longitudinalen Richtung der Schwingarme, und der Z-Achse in der Richtung der Dicke der gesamten Stimmgabel (10, 110), vorläufiges Teilpolarisieren eines Teils der Schwingarme (11–14, 112–115) und des Halteelements (15, 16, 111) entlang der Y-Achse in der X-Richtung durch eine extern angelegte Spannung, Verwenden des äußeren Satzes von zwei Stücken (11, 12, 112, 115) als die Antriebsseitenstimmgabel und des inneren Satzes (13, 14, 113, 114) von zwei Stücken als die Nachweisseitenstimmgabel, oder Verwenden des inneren Satzes von zwei Stücken (13, 14,113, 114) als die Antriebsseitenstimmgabel und den äußeren Satz (11, 12, 112, 115) von zwei Stücken als die Nachweisseitenstimmgabel, Anbringung von Antriebselektroden (20, 21, 116–123) entlang der Y-Achse der vorderseitigen, rückseitigen und seitlichen Oberflächen eines Teils der Antriebsseitenschwingarme und des Halteelements der Stimmgabel in Form eines Kamms, und von Nachweiselektroden (22, 23, 126–129), die in zwei Abschnitte entlang der Y-Achse der vorderseitigen und rückseitigen Oberflächen in einem Teil der Nachweisseitenschwingarme und des Halteelements aufgeteilt sind, entsprechend den teilweise polarisierten Abschnitten, Anlegen eines Wechselstromsignals an die Antriebselektroden der Antriebsseitenstimmgabel, um Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen in der X-Richtung (nachfolgend X_D-Mode genannt) zu erzeugen; mechanisches Koppeln des Halteelements (15, 16, 111) an die Nachweisseitenstimmgabel, um Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen (nachfolgend X_s-Mode genannt) zu induzie ren, und Nachweis der elektrischen Ladungsmenge, die durch die Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen in Richtung der Z-Achse durch die Coriolis-Kraft erzeugt wurden, basierend auf der Drehwinkelgeschwindigkeit um die Y-Achse, die von Außen (nachfolgend Z_S-Mode genannt) durch die Nachweiselektrode (22, 23, 126-121) der Nachweisseitenstimmgabel angewendet wird.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor, gekennzeichnet durch integrale Ausbildung einer Stimmgabel (10, 110) in Form eines Kamms mit vier parallelen Schwingarmen, welche aus flachem keramischem piezoelektrischem Material oder kristallinem Material hergestellt sind, und eines gemeinsamen Stimmgabelhalteelements (15, 16, 111), Definieren der X-Achse des dreidimensionalen Koordinatensystems in Richtung der Breite der Schwingarme (11–14, 112–115) und des Halteelements (15, 16, 111), der Y-Achse in der longitudinalen Richtung der Schwingarme (11–14, 112–115), und der Z-Achse in der Richtung der Dicke der gesamten Stimmgabel (10, 110), vorläufiges Teilpolarisieren eines Teils der Schwingarme (11–14, 112–115) und des Halteelements (15, 16, 111) entlang der Y-Achse in der X-Richtung durch eine extern angelegte Spannung, Verwenden des äußeren Satzes von zwei Stücken (11, 12, 112, 115) als die Antriebsseitenstimmgabel und des inneren Satzes (13, 14, 113, 114) von zwei Stücken als die Nachweisseitenstimmgabel, oder Verwenden des inneren Satzes von zwei Stücken (13, 14,113, 114) als die Antriebsseitenstimmgabel und den äußeren Satz (11, 12, 112, 115) von zwei Stücken als die Nachweisseitenstimmgabel, Anbringung von Antriebselektroden (22, 23, 126–129), die in zwei Abschnitte entlang der Y-Achse der vorderseitigen und rückseitigen Oberflächen in einem Teil der Nachweisseitenschwingarme und des Halteelements der Stimmgabel in Form eines Kamms aufgeteilt sind, und von Nachweiselektroden (22, 23, 126–129) entlang der Y-Achse der vorderseitigen, rückseitigen und seitlichen Oberflächen eines Teils der Antriebsseitenschwingarme und des Halteelements, entsprechend den teilweise polarisierten Abschnitten, Anlegen eines Wechselstromsignals an die Antriebselektroden der Antriebsseitenstimmgabel, um Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen in der X-Richtung zu erzeugen; mechanisches Koppeln des Halteelements (15, 16, 111) an die Nachweisseitenstimmgabel, um Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen zu induzieren, und Nachweis der elektrischen Ladungsmenge, die durch die Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen in Richtung der Z-Achse durch die Coriolis-Kraft erzeugt wurden, basierend auf der Drehwinkelgeschwindigkeit um die Y-Achse, die von Außen durch die Nachweiselektrode (22, 23, 126–129) der Nachweisseitenstimmgabel angewendet wird.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor, gekennzeichnet durch Ausbildung einer zusammengesetzten Stimmgabel (10, 110) in Form eines Kamms kristallinem Material, mit vier parallelen Schwingarmen (11–14, 112–115), und eines Halteelements (15, 16, 111), um gemeinsam ein Ende jedes Schwingarms zu halten, wobei die Lage des inneren Fußes (18) von zwei Schwingarmen jeweils innerhalb und außerhalb bezüglich des Halteelements (15, 16, 111) in der Richtung des Schwingarms ausgerichtet oder verschieden ist, wobei die Breitenrichtung (angenommene X-Richtung) der zusammengesetzten Stimmgabel mit der elektrischen Achse der Kristallachse des kristallinem Materials ausgerichtet ist, und die longitudinale Richtung (angenommene Y-Richtung) und die Dickenrichtung (Z-Richtung) der zusammengesetzte Stimmgabel um θ-Grad um die elektrische Achse bezüglich der mechanischen Achse bzw. der optischen Achse der Kristallachse des kristallinen Materials verdreht ist, Verwenden der zwei äußeren Schwingarme (11–14, 112– 115) der mehreren Schwingarme auf der Antriebsseitenstimmgabel oder Nachweisseitenstimmgabel, und der inneren Schwingarme (13, 14, 113, 114) in der Nachweisseitenstimmgabel oder Antriebsseitenstimmgabel, um Antrieb und Nachweis zu entsprechen, Anbringung von Antriebselektroden (20, 21, 116–123) auf den vorderseitigen und rückseitigen oder seitlichen Oberflächen des Halteelements der Arme der Antriebsseitenstimmgabel der zusammengesetzten Stimmgabel, und von Nachweiselektroden auf den vorderseitigen und rückseitigen oder seitlichen Oberflächen des Halteelements der Schwingarme der Nachweisseitenstimmgabel, Anlegen einer Wechselstromleistung an die Antriebselektroden in einem oder beiden Schwingarmen der Antriebsseitenstimmgabel, um X-Richtungs-Biegeschwingungen in wechselseitig umgekehrten Phasen auf der Antriebsseitenstimmgabel zu erzeugen und aufrecht zu erhalten, und, wenn ein Winkelgeschwindigkeitsvektor, der sich dreht und auf die gesamte zusammengesetzte Stimmgabel einschließlich des Halteelements wirkt, von außen angelegt wird, Nachweisen der elektrischen Ladung, die in der Nachweiselektrode durch die Z-Richtungs-Biegeschwingung in wechselseitig umgekehrten Phasen auf der Nach weisseitenstimmgabel durch die Z-Richtungs-Komponente der Coriolis-Kraft induziert wird, die auf den schwingenden Abschnitt der in X-Richtung schwingenden Antriebsseitenstimmgabel oder Nachweisseitenstimmgabel einwirkt, um dadurch ein elektrisches Signal proportional zur eingegebenen Winkelgeschwindigkeit zu erhalten.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor, gekennzeichnet durch Ausbildung einer zusammengesetzten Stimmgabel (10, 110) in einer Form mit insgesamt sechs Schwingarmen (151–156) aus kristallinem Material, wobei vier Schwingarme parallel sind, und zwei Halteelementen (49, 150), um den Schwingarm gemeinsam an beiden Enden zu halten, wobei Innen oder Außen zwei Arme in einer Tandemform vorliegen, die in der Mitte abgeschnitten ist, wobei die Lage des inneren Fußes von zwei Schwingarmen jeweils innerhalb oder außerhalb bezüglich des Halteelements in Richtung des Schwingarms übereinstimmt oder verschieden ist, wobei die Breitenrichtung (angenommene X-Richtung) der zusammengesetzten Stimmgabel mit der elektrischen Achse der Kristallachse des kristallinen Materials übereinstimmt, und die longitudinale Richtung (angenommene Y-Richtung) und die Dickenrichtung (Z-Richtung) der zusammengesetzten Stimmgabel um θ-Grad um die elektrische Achse bezüglich der mechanischen Achse bzw. der optischen Achse der Kristallachse des kristallinen Materials verdreht ist, Verwenden der zwei Schwingarme in der Form, die aus der zusammengesetzten Stimmgabel in der Antriebsseitenstimmgabel nicht ausgeschnitten ist, und der vier Schwingarme in der ausgeschnittenen Form in zwei Nachweisseitenstimmgabeln, um so Antrieb und Nachweis zu entsprechen, Anbringen von Antriebselektroden (159,166) auf den vorderseitigen und rückseitigen oder seitlichen Oberflächen des Halteelements der Arme der Antriebsseitenstimmgabel der zusammengesetzte Stimmgabel, und von Nachweiselektroden (169, 170) auf den vorderseitigen und rückseitigen oder seitlichen Oberflächen des Halteelements der Schwingarme der Nachweisseitenstimmgabel, Anlegen einer Wechselstromleistung an die Antriebselektroden (159, 166) an einen oder beide Schwingarme der Antriebsseitenstimmgabel, um so Biegeschwingungen in der X-Richtung mit wechselseitig umgekehrten Phasen auf der Antriebsseitenstimmgabel zu erzeugen und aufrecht zu erhalten, und, wenn ein Winkelgeschwindigkeitsvektor, der sich dreht und auf die gesamte zusammengesetzte Stimmgabel einschließlich des Halteelements wirkt, von außen angelegt wird, Nachweisen der elektrischen Ladung, die in der Nachweiselektrode durch die Z-Richtungs-Biegeschwingung in wechselseitig umgekehrten Phasen auf der Nachweisseitenstimmgabel durch die Z-Richtungs-Komponente der Coriolis-Kraft induziert wird, die auf den schwingenden Abschnitt der in X-Richtung schwingenden Antriebsseitenstimmgabel oder Nachweisseitenstimmgabel einwirkt, um dadurch ein elektrisches Signal proportional zur eingegebenen Winkelgeschwindigkeit zu erhalten.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei welchem eine teilweise Polarisation, die entlang der X-Richtung oder Z-Richtung eindringt, in dem Volumenbereich bewirkt wird, der aus den Abmessungen besteht, die dadurch gegeben sind, dass etwa 50% bis 80% der Länge vom Fuß (17, 17') des Halteelements des Antriebsseitenschwingarms in der Y-Achsenrichtung und etwa die Länge, die der Breite des Antriebsseitenschwingarms in Richtung des Halteelements vom Fuß entlang der Y-Achse entspricht, für den Antriebsseitenschwingarm, und auf ähnliche Weise etwa 50% bis 80% der Länge des Halteelementfußes (18) des Nachweisseitenschwingarms in der Y-Achsenrichtung und etwa die Länge, die der Breite des Antriebsseitenschwingarms in der Gesamtlänge des Halteelements vom Fuß der Nachweisseitenstimmgabel entlang der Y-Achse, für den Nachweisseitenschwingarm addiert werden
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei welchem die Formen und Abmessungen der vier Schwingarme (11–14, 112–115) und des Halteelements (15, 16, 111) der Stimmgabel so festgelegt werden, dass sie gleiche Resonanzfrequenz in der X_D-Mode der Antriebsseitenstimmgabel und gleiche Resonanzfrequenz in der X_S-Mode der Nachweisseitenstimmgabel haben, und nahezu gleiche Resonanzfrequenz in der Z_S-Mode, die durch die Coriolis-Kraft verursacht wird.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei welchem die Formen und Abmessungen der vier Schwingarme (11–14, 112–115) und des Halteelements der Stimmgabel so festgelegt werden, dass sie gleiche Resonanzfrequenz in der X_D-Mode der Antriebsseitenstimmgabel und gleiche Resonanzfrequenz in der X_S-Mode der Nachweisseitenstimmgabel haben, und verschiedene Resonanzfrequenz in der Z_S-Mode, die durch die Coriolis-Kraft verursacht wird.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei welchem die Formen und Abmessungen der vier Schwingarme (11–14, 112–115) und des Halteelements (15, 15,111) der Stimmgabel so festgelegt werden, dass die Resonanzfrequenz in der X_D-Mode der Antriebsseitenstimmgabel verschieden von der Resonanzfrequenz in der X_S-Mode der Nachweisseitenstimmgabel sein kann, und nahezu gleich der Resonanzfrequenz in der Z_S-Mode, die durch die Coriolis-Kraft verursacht wird, sein kann.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem eine Kerbe oder ein winziges Loch (19,134) im unteren Bereich des Halteelements (15, 16, 111) der Antriebsseitenstimmgabel auf der Knotenlinie der Schwingung in der Y-Achsenrichtung der Nachweisseitenstimmgabel vorgesehen ist, und wobei die Kerbe oder das winzige Loch (19, 134) zur Halterung oder Befestigung verwendet wird.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: einen konstanten AC-Stromsteuerungsschaltkreis, um ein AC-Signal an eine Antriebselektrode (20, 21, 116–123) eines Schwingarms der Antriebsseitenstimmgabel anzulegen, und um die AC-Amplitude des Stroms in der X_D-Mode konstant zu halten, die in der anderen Monitorelektrode (31, 136) des anderen Schwingarms der Antriebsseitenstimmgabel induziert wird.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 10, bei welchem das Timing-Signal für den Nachweis und die Extraktion des induzierenden Stroms durch die Drehwinkelgeschwindigkeit um die Y-Achse, die von außen aufgeprägt wird, durch ein Nulldurchgangssignal des Stroms erzeugt wird, der an der Monitorelektrode induziert wird.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 3 oder 4, bei welchem die longitudinale Richtung und die Dickenrichtung der zusammengesetzte Stimmgabel so abgestimmt sind, dass der Winkel θ der Drehung um die elektrische Achse bezüglich der mechanischen Achse und der optischen Achse der Kristallachse des kristallinen Materials Null Grad betragen kann.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 3 oder 4, bei welchem die Formen und Abmessungen der Halteelemente und Schwingarme so festgelegt werden, dass die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung mit wechselseitig umgekehrten Phasen der Antriebsseitenstimmgabel (nachfolgend ZD-Schwingung genannt) und die Resonanzfrequenz der ZS-Schwingung nahezu gleich sein können.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 3 oder 4, bei welchem das Halteelement der zusammengesetzten Stimmgabel entweder einen Verbindungsbereich mit einem externen Halteelement besitzt, um symmetrisch zu sein, ähnlich auf der Basis der Mittellinie für die Symmetrie der zusammengesetzten Stimmgabel in der XY-Ebene, oder eine Lochstruktur oder eine vorstehende Struktur für eine ähnliche symmetrische Verbindung mit dem externen Halteelement besitzt.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 3 oder 4, ferner umfassend einen Amplitudensteuerschaltkreis zum Anlegen einer elektrischen Wechselstromleistung an die Antriebselektrode des einen Schwingarms der Antriebsseitenstimmgabel, und zum Konstanthalten des Effektivwerts des elektrischen Wechselstromsignals auf der Grundlage der XD-Schwingung, die in der Antriebselektrode des anderen Schwingarms induziert wird.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 3 oder 4, bei welchem ein Timing-Signal zum Nachweis und zur Extraktion des Winkelgeschwindigkeitssignals auf der Grundlage der in der Nachweiselektrode erzeugten elektrischen Ladung nach Eingabe von Winkelgeschwindigkeit unter anderen Störsignalen durch ein elektrisches Wechselstromsignal auf der Grundlage der XD-Schwingung, die in der Antriebselektrode im anderen Schwingarm der Antriebsseitenstimmgabel induziert wird, erzeugt wird.