DE69633909T2

DE69633909T2 - Drehgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE69633909T2
Application number: DE69633909T
Authority: DE
Inventors: Jiro Hirakata-shi TERADA; Hiroshi Neyagawa-shi SENDA; Masami Uji-shi TAMURA; Masaharu Hirakata-shi Ushihara; Masakazu Hannanshi HATANAKA; Masayoshi Hirakata-shi MURAKAMI; Hideyuki Neyagawa-shi SHIMIZU
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2016-09-07
Also published as: US5854427A; EP0791804A4; DE69633909D1; EP0791804A1; EP0791804B1; WO1997009585A1

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehgeschwindigkeitssensor vom Vibrationstyp zur Verwendung in der Lagesteuerung, Navigation usw. von bewegten Dingen wie Flugzeugen, Kraftfahrzeugen, Robotern, Schiffen, Fahrzeugen oder auf einen Drehgeschwindigkeitssensor zur Verwendung in Unschärfesteuervorrichtungen, Fernbedienungen usw. von Standbild- und Videokameras.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Ein Drehgeschwindigkeitssensor der obigen Kategorie umfasst ein U-förmiges Vibrationsglied, auf dem piezoelektrische Elemente angebracht sind, die je einen Treiberabschnitt und einen Erfassungsabschnitt bilden. Der Stimmgabelarm des piezoelektrischen Elements wird durch eine Treiberstromquelle angetrieben, die an der Elektrode des piezoelektrischen Elements des Vibrationsgliedes anliegt, und die im Erfassungsabschnitt erzeugte Corioliskraft wird als ein Drehgeschwindigkeitssignal erfasst, das aus dem piezoelektrischen Element des Erfassungsabschnitts herausgezogen wird.
In dem oben beschriebenen Aufbau enthält aber ein aus der Erfassungselektrode herausgezogenes Signal neben dem Drehgeschwindigkeitssignal noch unerwünschte Signale, die durch das Treibersignal induziert wurden. Daher ist eine Schaltung erforderlich, um das unerwünschte Signal abzutrennen. Ein Problem besteht darin, dass andere Signale als die Drehgeschwindigkeitssignale durch die Schaltung nicht vollkommen abgetrennt werden; ein Teil davon bleibt als Rauschen zurück, wodurch eine Verbesserung der Erfassungseigenschaften erschwert wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, den Einfluss, der durch Rauschen vom Treibersignal bedingt ist, zu beseitigen und dadurch die Erfassungseigenschaften des Drehgeschwindigkeitssignals zu verbessern.
Um das Ziel zu verwirklichen, umfasst ein Drehgeschwindigkeitssensor gemäss vorliegender Erfindung ein erstes und ein zweites U-förmiges piezoelektrisches Element, die mit einer Erfassungselektrode zwischen sich zusammengefügt sind, wobei das erste piezoelektrische Element in zumindest einem der Stimmgabelarme eine erste und eine zweite Treiberelektrode auf einer der Erfassungselektrode entgegengesetzten Seite hat und wobei das zweite piezoelektrische Element in einem Stimmgabelarm, der dem Stimmgabelarm entspricht, auf dem die erste und zweite Treiberelektrode angeordnet sind, auf einer der Erfassungselektrode entgegengesetzten Seite eine dritte und eine vierte Treiberelektrode hat; wobei von der ersten bis vierten Treiberelektrode die erste und die dritte Treiberelektrode, die diagonal über die Erfassungselektrode hinweg angeordnet sind, mit einer ersten Treiberstromquelle verbunden sind, während die zweite und vierte Treiberelektrode, die auf einer anderen Diagonalen über die Erfassungselektrode hinweg angeordnet sind, mit einer zweiten Treiberstromquelle verbunden sind, die ein Signal liefert, dessen Phase der der ersten Treiberstromquelle entgegengesetzt ist, und zumindest einer der Stimmgabelarme des U-förmigen ersten und zweiten piezoelektrischen Elements in einer Dickenrichtung, entlang welcher das erste und zweite piezoelektrische Element aneinandergefügt sind, polarisiert wird.
Bei dem oben beschriebenen Ausbau empfangen die erste und die dritte Treiberelektrode, die in einer diagonalen Anordnung in einem Stimmgabelarm ausgelegt sind, ein Treibersignal von der ersten Treiberstromquelle, während die zweite und die vierte Treiberelektrode, die auf einer anderen Diagonalen im Stimmgabelarm ausgelegt sind, ein Treibersignal von der zweiten Treiberstromquelle empfangen, dessen Signalphase der der ersten Treiberstromquelle entgegengesetzt ist. Die Treibersignale für die Stimmgabelarme liegen somit über eine Erfassungselektrode hinweg an, was bedeutet, dass die Treibersignale einander an der Erfassungselektrode aufheben und sich niemals in ein Erfassungssignal mischen. Im Ergebnis wird die Fähigkeit zum Erfassen des Drehgeschwindigkeitssignals verbessert.
Des Weiteren umfasst ein Drehgeschwindigkeitssensor gemäss vorliegender Erfindung ein erstes und ein zweites U-förmiges piezoelektrisches Element, die mit einer Zwischenelektrode zwischen sich zusammengefügt sind, wobei das erste piezoelektrische Element in zumindest einem der Stimmgabelarme eine erste und eine zweite Treiberelektrode sowie eine erste Erfassungselektrode auf einer der Zwischenelektrode entgegengesetzten Seite hat und wobei das zweite piezoelektrische Element in einem Stimmgabelarm, der dem Stimmgabelarm entspricht, auf dem die erste und zweite Treiberelektrode sowie die erste Erfassungselektrode angeordnet sind, auf einer der Zwischen elektrode entgegengesetzten Seite eine dritte und eine vierte Treiberelektrode sowie eine zweite Erfassungselektrode hat; wobei von der ersten, zweiten, dritten und vierten Treiberelektrode die erste und die dritte Treiberelektrode, die diagonal über die Zwischenelektrode hinweg angeordnet sind, mit einer ersten Treiberstromquelle verbunden sind, während die zweite und vierte Treiberelektrode, die auf einer anderen Diagonalen über die Zwischenelektrode hinweg angeordnet sind, mit einer zweiten Treiberstromquelle verbunden sind, die ein Signal liefert, dessen Phase der der ersten Treiberstromquelle entgegengesetzt ist, und zumindest einer der Stimmgabelarme des U-förmigen ersten und zweiten piezoelektrischen Elements in einer Dickenrichtung, entlang welcher das erste und zweite piezoelektrische Element aneinandergefügt sind, polarisiert wird.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau ist der Einfluss, der durch Rauschen vom Treibersignal herrührt, ausgeschaltet, und die Eigenschaften für die Erfassung des Drehgeschwindigkeitssignals sind verbessert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen zusammengebauten Drehgeschwindigkeitssensor gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist ein Entwurfsdiagramm, das den Schlüsselabschnitt des Drehgeschwindigkeitssensors der 1 zeigt. 3 ist ein Schaltdiagramm des Drehgeschwindigkeitssensors der 1. 4 ist ein Entwurfsdiagramm, das den Schlüsselabschnitt eines anderen Beispiels eines Drehgeschwindigkeitssensors zeigt. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen zusammengebauten Drehgeschwindigkeitssensor gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 6 ist ein Entwurfsdiagramm, das den Schlüsselabschnitt des Drehgeschwindigkeitssensors der 5 zeigt. 7 ist ein Schaltdiagramm des Drehgeschwindigkeitssensors der 5. 8 ist ein Entwurfsdiagramm, das den Schlüsselabschnitt eines weiteren Beispiels des Drehgeschwindigkeitssensors zeigt.
BESTE ART, DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
Ausführungsform Nr. 1
Im Folgenden wird ein Drehgeschwindigkeitssensor gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Eisenkappe mit offenem Boden und vernickelter Oberfläche, wobei die Bodenöffnung mit einer Basisscheibe 2 ausgerüstet ist, um einen abgeschlossenen Raum in der Kappe 1 zu bilden, in dem ein zusammengebauter Drehgeschwindigkeitssensor untergebracht ist. Ein Erfassungselement 3 ist innerhalb des abgeschlossenen Raums angeordnet, ohne mit der Innenwand der Kappe 1 in Berührung zu sein, wobei das Erfassungselement mit Kitt auf der Basis 2 befestigt ist. Dieses Erfassungselement 3 besteht aus einem ersten und zweiten U-förmigen piezoelektrischen Element 4, 5, die mit einer U-förmigen Ag-Pd-Nachweiselektrode 6 zwischen sich zusammengefügt und zu einem einzigen Körper gesintert worden sind, wie in 1 gezeigt. Auf der Oberfläche der Stimmgabelarme 4a, 4b und 5a, 5b des ersten und zweiten piezoelektrischen Elements 4, 5 sind durch Aufdrucken und Sintern längliche Ag-Pd-Elektroden 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14 aufgebracht worden, wie in 1 und 2 gezeigt. Von diesen sind 7, 8, 11 und 12 Treiberelektroden, während 9, 10, 13 und 14 Überwachungselektroden sind. Wie 2 zeigt, sind in einem Stimmgabelarm 4a, 5a des zusammengefügten Gliedes Treiberelektroden 7, 12, die auf einer Diagonalen über die Erfassungselektrode 6 hinweg angeordnet sind, mit einer ersten Treiberstromquelle 15 verbunden, während Treiberelektroden 8, 11, die auf einer anderen Diagonalen angeordnet sind, die die besagte Diagonale quert, mit einer zweiten Treiberstromquelle 16 verbunden sind. Sowohl die erste als auch die zweite Treiberstromquelle 15, 16 liefert ein Wechselstromsignal (Stimmgabelresonanzfrequenz) an das Paar von Treiberelektroden 7, 12 bzw. an das andere Paar von Treiberelektroden 8, 11, um die Stimmgabel zur Resonanz zu bringen. Die von der ersten und zweiten Treiberstromquelle 15, 16 gelieferten Signale haben einander entgegengesetzte Phasen.
In einem Stimmgabelarm 4b, 5b, der die Überwachungsseite darstellt, sind auf einer Diagonalen angeordnete Überwachungselektroden 9, 14 geerdet, während Überwachungselektroden 10, 13, die auf einer anderen Diagonalen angeordnet sind, die die besagte Diagonale quert, mit einer Überwachungserfassungsklemme 17 verbunden sind. Die Erfassungselektrode 6 ist mit der Erfssungsklemme 18 verbunden. Diese elektrischen Anschlüsse werden in 1 veranschaulicht, wo 19, 20 Stromversorgungsklemmen sind, die durch Leitungen A verbunden sind. Die Leitung A zwischen der Erfassungsklemme 18 und der Erfassungselektrode 6 ist an einer Stelle unterhalb der Stimmgabelarme 4a, 4b, 5a, 5b mit der Erfassungselektrode 6 verbunden.
In dem oben beschriebenen Aufbau wird der Stimmgabelarm 4a, 5a in der Dickenrichtung für eine Feldstärke von 3 kV/mm polarisiert, während der Stimmgabelarm 4b, 5b in der Dickenrichtung für eine Feldstärke von 3 kV/mm entgegengesetzt polarisier wird, wie in 2 gezeigt. Die Polarisationsrichtungen werden mit den Symbolen P1 bzw. P2 angedeutet.
Wenn Treiberelektroden 7, 8, 11 und 12 mit Signalen von der ersten und zweiten Treiberstromquelle 15, 16 versorgt werden, vibriert der Stimmgabelarm 4a, 5a seitwärts zur Polarisationsrchtung P1, während der Stimmgabelarm 4b, 5b in Resonanz ist, um seitwärts zur Polarisationsrichtung P2 zu vibrieren.
Für eine eingehendere Erläuterung sei angenommen, dass die inneren Treiberelektroden 8, 12 des Stimmgabelarms 4a, 5a mit Signalen umgekehrter Phase versorgt werden, indem die Treiberelektrode 8 mit einem negativen elektrischen Feld versehen wird, während die Treiberelektrode 12 mit einem positiven elektrischen Feld versorgt wird; das bedeutet, dass beide Stimmgabelarme 4a, 5a mit einem negativen elektrischen Feld nach unten in 2 versehen werden, also entgegengesetzt zur Polarisationsrichtung P1, so dass sich die Innenseite des Stimmgabelarms 4a, 5a zusammenzieht. Auf der Aussenseite des Stimmgabelarms 4a, 5a wird ein elektrisches Feld der gleichen Richtung wie die Polarisationsrichtung P1 von den Treiberelektroden 7, 11 geliefert, was eine Streckung verursacht. Im Ergebnis biegt sich der Stimmgabelarm 4a, 5a nach innen, also neigt sich zum Stimmgabelarm 4b, 5b hin. Dann entspricht der Stimmgabelarm 4b, 5b der Bewegung des Stimmgabelarms 4a, 5a, indem er sich zum Stimmgabelarm 4a, 5a hin biegt. Im nächsten Augenblick, wenn die Phase der von der ersten und zweiten Treiberstromquelle 15, 16 gelieferten Signale umgekehrt ist, biegen sich der Stimmgabelarm 4a, 5a bzw. der Stimmgabelarm 4b, 5b nach aussen. Diese Aktionen wechseln sich ab, und das U-förmige Vibrationsglied führt eine Resonanzvibration aus.
Wenn eine Drehgeschwindigkeit am U-förmigen Vibrationsglied, das sich in Resonanzvibration befindet, angelegt wird, werden der Stimmgabelarm 4a, 5a und der Stimmgabelarm 4b, 5b durch die Corioliskraft in der Dickenrichtung gebogen, und das Ausmass der Biegung wird durch die Erfssungselektrode 6 und die Erfassungsklemme 18 aufgenommen. Wenn zum Beispiel, unter Bezugnahme auf 2, der Stimmgabelarm 4a, 5a in einer Richtung verbogen wird, wo sich die Unterseite des Stimmgabelarms 4a streckt, während sich die Oberseite des Stimmgabelarms 5a zusammenzieht, dann strecken sich die Treiberelektroden 7, 8 in einer Richtung, die die Polarisationsrichtung ist, und gleichzeitig wird senkrecht zur Polarisationsrichtung eine positive elektrische Ladung erzeugt; die Treiberelektroden 11, 12 ziehen sich in einer Richtung entgegengesetzt zur Polarisation zusammen, gleichzeitig wird senkrecht zur Polarisationsrichtung ebenfalls eine positive elektrische Ladung erzeugt. Wenn in einem Teil der Erfassungselektrode 6, die sich zwischen den Stimmgabelarmen 4a, 5a befindet, eine negative elektrische Ladung erzeugt wird, hat ein Teil der Erfassungselektrode 6, die sich zwischen den Stimmgabelarmen 4b, 5b befindet, ebenfalls eine negative elektrische Ladung; diese elektrischen Ladungen werden über die Erfassungsklemme 18 herausgeführt. Wenn eine Drehgeschwindigkeit der entgegengesetzten Richtung angelegt wird, strecken sich die Treiberelektroden 11, 12 des Stimmgabelarms 4a, 5a, während die Treiberelektroden 7, 8 sich zusammenziehen; nach den gleichen Grundsätzen wie oben beschrieben wird eine positive elektrische Ladung von der Erfassungsklemme 18 geliefert.
Treibersignale für die Stimmgabelarme 4a, 5a, 4b, 5b werden an die Stimmgabelarme 4a, 5a, 4b, 5b angelegt. Ihre Signalkomponenten heben sich aber gegenseitig auf, und das Treibersignal wird niemals in ein durch die Erfassungselektrode 6 erfassbares Erfassungssignal vermischt.
3 zeigt das Schaltdiagramm. Die Erfassungsklemme 18 ist mit einer invertierenden Eingangsklemme eines Ladungsverstärkers verbunden, der aus einem Verstärker 21 und einem Kondensator C1 besteht. Eine Ausgangsklemme 27 dieses Ladungsverstärkers ist mit einem Synchronerfassungssschaltkreis 22, einem Filter 23 und letztlich einer Ausgangsklemme 24 verbunden. Der aus Widerständen R1, R2, einem variablen Widerstand Rx und einem Verstärker 25 bestehende invertierende Verstärker dient der Bildung der ersten und zweiten Treiberstromquelle 15, 16. Bezugszahl 26 stellt einen AGC-Verstärker zur Stabilisierung der Amplitude der Stimmgabel dar.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Drehgeschwindigkeitssensor gemäss der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; wobei die Polarisationsrichtung P3 des Stimmgabelarms 4b, 5b geändert wurde, um dieselbe wie P1 zu sein. In diesem Fall ist die Erfassungselektrode nicht in der Lage, eine Summe von Coriolissignalkomponenten der Stimmgabelarme 4a, 5a und 4b, 5b wie in der Ausführungsform von 2 aufzunehmen. Daher wird jedes der Coriolissignale, die in Erfassungselektroden 18a und 18b erzeugt werden, einzeln aufgenommen und dann addiert, um ein Erfassungssignal zu erhalten, nachdem die Signalkomponente eines Coriolissignals von einem der Stimmgabelarme invertiert wurde.
Wie oben beschrieben, wird in einem Drehgeschwindigkeitssensor gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest einer der Stimmgabelarme des zusammengefügten ersten und zweiten, U-förmigen piezoelektrischen Elements in einer Dickenrichtung polarisiert, entlang der die piezoelektrischen Elemente zusammengefügt sind, die erste und dritte Treiberelektrode, die auf einer Diagonalen des Stimmgabelarms angeordnet sind, werden mit einem Treibersignal von einer ersten Treiberstromquelle versorgt, während die zweite und vierte Treiberelektrode mit einem Treibersignal von einer zweiten Treiberstromquelle versorgt werden, dessen Phase der der ersten Treiberstromquelle entgegengesetzt ist. Bei dem obigen Aufbau wirken die Treibersignalkomponenten für einen Stimmgabelarm so, dass die Stimmgabel getrieben wird, aber sie heben einander auf, und das Treibersignal mischt sich niemals in ein Erfassungssignal, das durch die Erfassungselektrode zu erfassen ist. Im Ergebnis wird die Fähigkeit, eine Drehgeschwindigkeit zu erfassen, auf ein höheres Genauigkeitsniveau verbessert.
Indem die Polarisationsrichtungen des rechten und linken Stimmgabelarms einander entgegengesetzt gemacht werden, nehmen die vom rechten und linken Arm abgeleiteten Corioliskräfte die gleiche Phase wie das Signal an der Erfassungselektrode an, und eine Summierung erfolgt an der Erfassungselektrode, was dazu führt, dass eine Summierschaltung entfällt. Daher wird der ganze Aufbau erheblich vereinfacht.
Wenn die Polarisationsrichtungen des rechten und linken Stimmgabelarms gleich gemacht werden, können die in den Erfassungselektroden 18a und 18b erzeugten Signale einzeln aufgenommen werden, und diese Signalkomponenten können erst addiert werden, nachdem die von einem der Stimmgabelarme abgeleitete Signalkomponente invertiert worden ist, was zu einer verbesserten Fähigkeit für die Erfassung einer Drehgeschwindigkeit führt.
Des Weiteren können Rauschkomponenten, die wegen einer unerwünschten Vibrationskomponente auftreten, während ein Stimmgabelarm in Funktion ist, signifikant verringert werden, indem nur der Abschnitt polarisiert wird, der den Elektroden entspricht, die im Treibersektor und im Erfassungssektor angeordnet sind.
Ausführungsform Nr. 2
5, 6 und 7 zeigen einen Drehgeschwindigkeitssensor gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 5 bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Eisenkappe mit offenem Boden und vernickelter Oberfläche, wobei die Bodenöffnung mit einer Basisscheibe 2 ausgerüstet ist, um einen abgeschlossenen Raum in der Kappe 1 zu bilden, in dem ein zusammengebauter Drehgeschwindigkeitssensor untergebracht ist. Ein Erfassungselement 3 ist innerhalb des abgeschlossenen Raums angeordnet, ohne mit der Innenwand der Kappe 1 in Berührung zu sein, wobei das Erfassungselement mit Kitt auf der Basis 2 befestigt ist. Dieses Erfassungselement 3 besteht aus einem ersten und zweiten U-förmigen piezoelektrischen Element 4, 5, die mit einer U-förmigen Ag-Pd-Zwischenelektrode 36 zwischen sich zusammengefügt und zu einem einzigen Körper gesintert worden sind, wie in 5 gezeigt. Auf der Oberfläche der Stimmgabelarme 4a, 4b und 5a, 5b des ersten und zweiten piezoelektrischen Elements 4, 5 sind durch Aufdrucken und Sintern längliche Ag-Pd-Elektroden 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 und 48 aufgebracht worden. Von diesen sind 37, 39, 43 und 45 Treiberelektroden, während 40, 42, 46 und 48 Überwachungselektroden sind. Wie 6 zeigt, sind in einem Stimmgabelarm 4a, 5a des zusammengefügten Gliedes Treiberelektroden 37, 45, die auf einer Diagonalen über die Zwischenelektrode 36 hinweg angeordnet sind, mit einer ersten Treiberstromquelle 15 verbunden, während Treiberelektroden 39, 43, die auf einer anderen Diagonalen angeordnet sind, die die besagte Diagonale quert, mit einer zweiten Treiberstromquelle 16 verbunden sind. Sowohl die erste als auch die zweite Treiberstromquelle 15, 16 liefert ein Wechselstromsignal (Stimmgabelresonanzfrequenz) zu dem Paar von Treiberelektroden 37, 45 bzw. zu dem anderen Paar von Treiberelektroden 39, 43, um die Stimmgabel zur Resonanz zu bringen. Die von der ersten und zweiten Treiberstromquelle 15, 16 gelieferten Signale haben einander entgegengesetzte Phasen.
In einem Stimmgabelarm 4b, 5b, der die Überwachungsseite darstellt, sind auf einer Diagonalen angeordnete Überwachungselektroden 40, 48 geerdet, während Überwachungselektroden 42, 46, die auf einer anderen Diagonalen angeordnet sind, die die besagte Diagonale quert, mit einer Überwachungserfassungsklemme 51 verbunden sind. Die Zwischenelektrode 36 ist mit einer geerdeten Klemme S2 verbunden. Die Erfassungselektroden 38, 41 sind mit einer Erfassungsklemme 55a verbunden, während die Erfassungselektroden 44, 47 mit einer Erfassungsklemme 55b verbunden sind. Diese elektrischen Anschlüsse werden in 5 gezeigt, wo 53, 54 Stromversorgungsklemmen sind, die durch Leitungen A verbunden sind. Die Leitung A zwischen der geerdeten Klemme 52 und der Zwischenelektrode 36 ist an einer Stelle unterhalb der Stimmgabelarme 4a, 4b, 5a, 5b mit der Zwischenelektrode 36 verbunden.
In dem oben beschriebenen Aufbau wird der Stimmgabelarm 4a, 5a in der Dickenrichtung für eine Feldstärke von 3 kV/mm polarisiert, während der Stimmgabelarm 4b, 5b entgegengesetzt zur Dickenrichtung für eine Feldstärke von 3 kV/mm polarisiert wird, wie in 6 gezeigt. Die Polarisationsrichtungen werden mit den Symbolen P1 bzw. P2 angedeutet.
Wenn Treiberelektroden 37, 45, 39 und 43 mit Signalen von der ersten und zweiten Treiberstromquelle 15, 16 versorgt werden, vibriert der Stimmgabelarm 4a, 5a seitwärts zur Polarisationsrichtung P1, während der Stimmgabelarm 4b, 5b in Resonanz ist, um seitwärts zur Polarisationsrichtung P2 zu vibrieren. Für eine eingehendere Erläuterung sei angenommen, dass die inneren Treiberelektroden 39, 45 des Stimmgabelarms 4a, 5a mit Signalen umgekehrter Phase versorgt werden, indem die Treiberelektrode 39 mit einem negativen elektrischen Feld versehen wird, während die Treiberelektrode 45 mit einem positiven elektrischen Feld versorgt wird; das bedeutet, dass beide Stimmgabelarme 4a, 5a mit einem negativen elektrischen Feld nach unten in 6 versehen werden, also entgegengesetzt zur Polarisationsrichtung P1, so dass sich die Innenseite des Stimmgabelarms 4a, 5a zusammenzieht. Auf der Aussenseite des Stimmgabelarms 4a, 5a wird ein elektrisches Feld der gleichen Richtung wie die Polarisationsrichtung P1 von den Treiberelektroden 37, 43 geliefert, was eine Streckung verursacht. Im Ergebnis biegt sich der Stimmgabelarm 4a, 5a nach innen, also neigt sich zum Stimmgabelarm 4b, 5b hin. Dann bewegt sich der Stimmgabelarm 4b, 5b entsprechend der Bewegung des Stimmgabelarms 4a, 5a, indem er sich zum Stimmgabelarm 4a, 5a hin biegt. Im nächsten Augenblick, wenn die Phase der von der ersten und zweiten Treiberstromquelle 15, 16 gelieferten Signale umgekehrt ist, biegen sich der Stimmgabelarm 4a, 5a bzw. der Stimmgabelarm 4b, 5b nach aussen. Diese Aktionen wechseln sich ab, und das U-förmige Vibrationsglied führt eine Resonanzvibration aus.
Wenn eine Drehgeschwindigkeit am U-förmigen Vibrationsglied, das sich in Resonanzvibration befindet, angelegt wird, werden der Stimmgabelarm 4a, 5a und der Stimmgabelarm 4b, 5b durch die Corioliskraft in ihrer Dickenrichtung gebogen, und das Ausmass der Biegung wird durch die Erfassungselektroden 38, 41, 44 und 47 sowie die Erfassungsklemme 55 aufgenommen.
Wenn zum Beispiel, unter Bezugnahme auf 6, der Stimmgabelarm 4a, 5a in einer Richtung verbogen wird, wo sich die Unterseite des Stimmgabelarms 4a streckt, während sich die Oberseite des Stimmgabelarms 5a zusammenzieht, dann streckt sich die Treiberelektrode 38 in einer Richtung, die die Polarisationsrichtung ist, und gleichzeitig wird senkrecht zur Polarisationsrichtung eine positive elektrische Ladung erzeugt; die Erfassungselektrode 44 zieht sich in einer Richtung entgegengesetzt zur Polarisation zusammen, gleichzeitig wird senkrecht zur Polarisationsrichtung ebenfalls eine positive elektrische Ladung erzeugt. Dann wird in einem Teil der Erfassungselektrode 36, die sich zwischen den Stimmgabelarmen 4a, 5a befindet, eine negative elektrische Ladung erzeugt, die über die Erfassungsklemme 55 herausgeführt wird. Wenn eine Drehgeschwindigkeit der entgegengesetzten Richtung angelegt wird, streckt sich die Treiberelektrode 44 des Stimmgabelarms 4a, 5a, während die Erfassungselektrode 38 sich zusammenzieht; und eine negative Ladung wird aus der Erfassungsklemme 55 herausgeführt. Nach den gleichen Grundsätzen wird eine positive oder negative elektrische Ladung auch am Stimmgabelarm 4b, 5b erzeugt, um aus der Erfassungsklemme 55 herausgeführt zu werden.
Die Treibersignale für die Stimmgabelarme 4a, 5a, 4b, 5b werden an die Stimmgabelarme 4a, 5a, 4b, 5b angelegt. Ihre Signalkomponenten heben sich aber gegenseitig auf. Die Treibersignale werden durch die Zwischenelektrode 36 geerdet, so dass der Erfassungssektor vom Treibersektor getrennt ist, deshalb wird das Treibersignal niemals in den Erfassungssektor vermischt.
7 zeigt das Schaltdiagramm dafür. Die Erfassungsklemme 55 ist mit einer invertierenden Eingangsklemme eines Ladungsverstärkers verbunden, der aus einem Verstärker 56 und einem Kondensator C1 besteht. Eine Ausgangsklemme 62 dieses Ladungsverstärkers ist mit einem Synchronerfassungsschaltkreis 57, einem Filter 58 und letztlich einer Ausgangsklemme 59 verbunden. Der aus Widerständen R1, R2, einem variablen Widerstand Rx und einem Verstärker 60 bestehende invertierende Verstärker dient der Bildung der ersten und zweiten Treiberstromquelle 15, 16. Bezugszahl 61 stellt einen AGC-Verstärker zur Stabilisierung der Amplitude der Stimmgabel dar.
8 zeigt ein weiteres Beispiel eines Drehgeschwindigkeitssensors gemäss der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo die Polarisationsrichtung P3 des Stimmgabelarms 4b, 5b geändert wurde, um dieselbe wie P1 zu sein.
In diesem Fall wird, da die Coriolissignalkomponenten der Stimmgabelarme 4a, 5a und 4b, 5b nicht summiert aufgenommen werden können, jedes der Coriolissignale, die im rechten und linken Stimmgabelarm erzeugt werden, einzeln durch die Erfassungselektroden 38, 44 und die Erfassungselektroden 41, 47 erfasst. Das heisst, dass die Summe der Signalkomponenten 55a, die von den Erfassungselektroden 38, 44 abgeleitet wird, und die Summe der Signalkomponenten 55b, die von den Erfassungselektroden 41, 47 abgeleitet wird, getrennt aufgenommen und erst addiert werden, nachdem die Signalkomponente 55a, die von einem der Stimmgabelarme abgeleitet wird, invertiert wurde, um ein Erfassungssignal zu erhalten.
Wie oben beschrieben, umfasst ein Drehgeschwindigkeitssensor gemäss der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein erstes und ein zweites, U-förmiges piezoelektrisches Element, die mit einer Zwischenelektrode dazwischen zusammengefügt werden, eine erste und eine zweite Treiberelektrode und eine erste Erfassungselektrode, die auf der Oberfläche zumindest eines der Stimmgabelarme des ersten piezoelektrischen Elements ausgelegt sind, sowie eine dritte und eine vierte Treiberelektrode und eine zweite Erfassungselektrode, die auf der Oberfläche des Stimmgabelarms des zweiten piezoelektrischen Elements ausgelegt sind; wobei von der ersten, zweiten, dritten und vierten Treiberelektrode die erste und die dritte Treiberelektrode, die auf einer Diagonalen über die Zwischenelektrode hinweg angeordnet sind, mit einem Treibersignal von der ersten Treiberstromquelle versorgt werden, während die zweite und vierte Treiberelektrode, die auf einer Diagonalen über die Zwischenelektrode hinweg angeordnet sind, mit einem Treibersignal von der zweiten Treiberstromquelle versorgt werden, dessen Phase entgegengesetzt zu der der ersten Treiberstromquelle ist, und zumindest einer der Stimmgabelarme des zusammengefügten ersten und zweiten, U-förmigen piezoelektrischen Elements in einer Dickenrichtung polarisiert wird, entlang der die piezoelektrischen Elemente zusammengefügt sind. Bei dem obigen Aufbau wirken die Treibersignalkomponenten für einen Stimmgabelarm so, dass die Stimmgabel getrieben wird, aber sie mischen sich niemals in ein Erfassungssignal, weil der Erfassungssektor vom Treibersektor völlig getrennt ist. Im Ergebnis wird die Fähigkeit, eine Drehgeschwindigkeit nachzuweisen, aif ein höheres Genauigkeitsniveau verbessert.
Indem die Polarisationsrichtungen des rechten und linken Stimmgabelarms einander entgegengesetzt gemacht werden, nehmen die vom rechten und linken Arm abgeleiteten Corioliskräfte die gleiche Phase wie ein Signal an der Erfassungselektrode an, und die Summierung erfolgt an der Erfassungselektrode, was dazu führt, dass eine Summierschaltung entfällt. Daher wird der ganze Aufbau erheblich vereinfacht.
Wenn die Polarisationsrichtungen des rechten und linken Stimmgabelarms gleich gemacht werden, können die in den Erfassungselektroden 38, 44 und in den Erfassungselektroden 41, 47 erzeugten Signale einzeln aufgenommen werden, und diese Signalkomponenten können erst addiert werden, nachdem die von einem der Stimmgabelarme abgeleitete Signalkomponente invertiert worden ist, was zu einer verbesserten Fähigkeit für die Erfassung einer Drehgeschwindigkeit führt.
Des Weiteren können Rauschkomponenten, die wegen einer unerwünschten Vibrationskomponente auftreten, während ein Stimmgabelarm in Funktion ist, signifikant verringert werden, indem nur der Abschnitt polarisiert wird, der den Elektroden entspricht, die im Treibersektor und im Erfassungssektor angeordnet sind.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
In einem Drehgeschwindigkeitssensor gemäss vorliegender Erfindung werden, obwohl die Treibersignalkomponenten für einen Stimmgabelarm so wirken, dass sie die Stimmgabel treiben, diese Komponenten niemals über die Elektrode in ein Erfassungssignal gemischt, weil der Nachweissektor vom Treibersektor völlig getrennt ist. Im Ergebnis wird die Fähigkeit, eine Drehgeschwindigkeit nachzuweisen, auf ein höheres Genauigkeitsniveau verbessert.

1: Kappe
2: Basis
3: Erfassungselement
4: erstes piezoelektrisches Element
5: zweites piezoelektrisches Element
4a: Stimmgabelarm
4b: Stimmgabelarm
5a: Stimmgabelarm
5b: Stimmgabelarm
6: Erfassungselektrode
7: Treiberelektrode
8: Treiberelektrode
9: Überwachungselektrode
10: Überwachungselektrode
11: Treiberelektrode
12: Treiberelektrode
13: Überwachungselektrode
14: Überwachungselektrode
15: erste Treiberstromquelle
16: zweite Treiberstromquelle
17: Überwachungserfassungsklemme
18: Erfassungsklemme
21: Verstärker
22: Synchrondemodulator
23: Filter
24: Ausgangsklemme
25: Verstärker
26: AGC-Verstärker
27: Ausgangsklemme
36: Zwischenelektrode
37: Treiberelektrode
38: Erfassungselektrode
39: Treiberelektrode
40: Überwachungselektrode
41: Erfassungselektrode
42: Überwachungselektrode
43: Treiberelektrode
44: Erfassungselektrode
45: Treiberelektrode
46: Überwachungselektrode
47: Erfassungselektrode
48: Überwachungselektrode
51: Überwachungserfassungsklemme
52: Erdklemme
53: Stromquellenklemme
54: Stromquellenklemme
55: Erfassungsklemme
56: Verstärker
57: Synchrondemodulator
58: Filter
59: Ausgangsklemme
60: Verstärker
61: AGC-Verstärker

Claims

Drehgeschwindigkeitssensor mit ersten und zweiten, U-förmigen piezoelektrischen Elementen (4, 5), zusammengefügt mit einer dazwischenliegenden Erfassungselektrode (6) und einen einzigen Körper in Gestalt einer Stimmgabel bildend, wobei das erste piezoelektrische Element (4) in zumindest einem der Stimmgabelarme (4a, b) eine erste und eine zweite Treiberelektrode (7, 8) auf einer der Erfassungselektrode (6) entgegengesetzten Oberfläche hat und wobei das zweite piezoelektrische Element (5) in einem Stimmgabelarm (5a), der dem Stimmgabelarm (4a) entspricht, auf dem die erste und zweite Treiberelektrode (7, 8) angeordnet sind, eine dritte und vierte Treiberelektrode (12, 11) auf einer der Erfassungselektrode (6) entgegengesetzten Oberfläche hat; dadurch gekennzeichnet, dass von der ersten bis vierten Treiberelektrode (7, 8, 12, 11) die erste und die dritte Treiberelektrode (7, 12), die in einer diagonalen Anordnung über die Erfassungselektrode (6) hinweg angeordnet sind, an eine erste Treiberstromquelle (15) angeschlossen sind, während die zweite und die vierte Treiberelektrode (8, 11), die in einer diagonalen Anordnung über die Erfassungselektrode (6) hinweg angeordnet sind, an eine zweite Treiberstromquelle (16) angeschlossen sind, die ein Signal liefert, dessen Phase der der ersten Treiberstromquelle (15) entgegengesetzt ist, und dass zumindest einer der Stimmgabelarme (4a, 4b, 5a, 5b) des U-förmigen ersten und zweiten piezoelektrischen Elements (4, 5) in einer Dickenrichtung, entlang der das erste und zweite piezoelektrische Element (4, 5) zusammengefügt sind, polarisiert wird.
Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, weiter Überwachungselektroden (9, 10, 14, 13) mit einer gleichen Anordnung umfassend wie die Treiberelektroden (7, 8, 12, 11), die im anderen Stimmgabelarm des ersten und zweiten piezoelektrischen Elements (4, 5) ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der rechte und der linke Stimmgabelarm in einander entgegengesetzten Richtungen polarisiert werden.
Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein der Treiberelektrode und der Überwachungselektrode entsprechender Teil polarisiert wird.
Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, weiter Überwachungselektroden (9, 10, 14, 13) mit einer gleichen Anordnung umfassend wie die Treiberelektroden, die im anderen Stimmgabelarm des ersten und zweiten piezoelektrischen Elements (4, 5) ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der rechte und der linke Stimmgabelarm in einer gleichen Richtung polarisiert werden.
Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein der Treiberelektrode und der Überwachungselektrode entsprechender Teil polarisiert wird.
Drehgeschwindigkeitssensor mit ersten und zweiten, U-förmigen piezoelektrischen Elementen (4, 5), zusammengefügt mit einer dazwischenliegenden Zwischenelektrode (36) und einen einzigen Körper in Gestalt einer Stimmgabel bildend, wobei das erste piezoelektrische Element (4a) in zumindest einem der Stimmgabelarme eine erste und eine zweite Treiberelektrode (37, 39) und eine erste Erfassungselektrode (38) auf einer der Zwischenelektrode (36) entgegengesetzten Oberfläche hat und wobei das zweite piezoelektrische Element (5a) in einem Stimmgabelarm, der dem Stimmgabelarm entspricht, auf dem die erste und zweite Treiberelektrode (37, 39) und die erste Erfassungselektrode (38) angeordnet sind, eine dritte und vierte Treiberelektrode (45, 43) und eine zweite Erfassungselektrode (44) auf einer der Zwischenelektrode (36) entgegengesetzten Oberfläche hat; dadurch gekennzeichnet, dass von der ersten bis vierten Treiberelektrode (37, 39, 45, 43) die erste und die dritte Treiberelektrode (37, 45), die in einer diagonalen Anordnung über die Zwischenelektrode (36) hinweg angeordnet sind, an eine erste Treiberstromquelle (15) angeschlossen sind, während die zweite und die vierte Treiberelektrode (39, 43), die in einer diagonalen Anordnung über die Zwischenelektrode (36) hinweg angeordnet sind, an eine zweite Treiberstromquelle (16) angeschlossen sind, die ein Signal liefert, dessen Phase der der ersten Treiberstromquelle (15) entgegengesetzt ist, und dass zumindest einer der Stimmgabelarme des U-förmigen ersten und zweiten piezoelektrischen Elements (4, 5) in einer Dickenrichtung, entlang der das erste und zweite piezoelektrische Element (4, 5) zusammengefügt sind, polarisiert wird.
Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 6, weiter Überwachungselektroden (40, 42, 48, 46) sowie eine Erfassungselektrode (41, 47) mit einer gleichen Anordnung wie die Treiberelektroden (37, 39, 45, 43) und die Erfassungselektrode (38, 44) auf dem einen Stimmgabelarm umfassend, die im anderen Stimmgabelarm ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der rechte und der linke Stimmgabelarm in einander entgegengesetzten Richtungen polarisiert werden.
Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein der Treiberelektrode, der Erfassungselektrode und der Überwachungselektrode entsprechender Teil polarisiert wird.
Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 6, weiter Überwachungselektroden (40, 42, 48, 46) und eine Erfassungselektrode (41, 47) mit einer gleichen Anordnung wie die Treiberelektroden (37, 39, 45, 43) und die Erfassungselektrode (38, 44) auf dem einen Stimmgabelarm umfassend, die im anderen Stimmgabelarm des ersten und zweiten piezoelektrischen Elements ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der rechte und der linke Stimmgabelarm in der gleichen Richtung polarisiert werden.
Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein der Treiberelektrode, der Erfassungselektrode und der Überwachungselektrode entsprechender Teil polarisiert wird.