DE69701595T2

DE69701595T2 - Piezoelektrischer Vibrationskreisel welcher einen Energie-Einfangsvibrationsmodus verwendet

Info

Publication number: DE69701595T2
Application number: DE69701595T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Abe; Naoki Wakou; Hiroshi Watanabe; Tetsuo Yoshida
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: EP0814319B1; TW334651B; DE69701595D1; CN1180835A; CA2208369C; US5887480A; KR100494967B1; CA2208369A1; EP0814319A1; CN1086806C; KR19980018149A; US6138510A

Description

Hintergrund der Erfindung:

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Gyroskop zum Erfassen einer Drehwinkelgeschwindigkeit und insbesondere auf ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop, das einen piezoelektrischen Vibrator aufweist, der in einem Energie-Einfangsvibrationsmodus vibriert.
Im Stand der Technik ist das Gyroskop oft in Richtungssensoren für Autonavigationssysteme und Vibrationssensoren in Bildstabilisierungssystemen für Camcorder (Videokameras) benutzt worden.
Ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop verwendet ein mechanisches Phänomen, das sich auf die Corioliskraft bezieht. Insbesondere wird, wenn ein in einer Vibrationsrichtung vibrierendes Objekt einer Drehwinkelgeschwindigkeit unterworfen wird, die Corioliskraft in einer Richtung senkrecht zu der Vibrationsrichtung erzeugt.
In einem zusammengesetzten piezoelektrischen Vibrationssystem, bei dem die Vibration in einer ersten und einer zweiten Richtung senkrecht zueinander angeregt werden kann, wird angenommen, daß ein piezoelektrischer Vibrator gedreht wird, während die Vibration in der ersten Richtung angeregt wird. In diesem Fall wird die oben erwähnte Corioliskraft in der zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung zum Anregen der Vibration in der zweiten Richtung erzeugt. Durch den piezoelektrischen Effekt verursacht die Vibration in der zweiten Richtung eine elektromotorische Kraft zum Erzeugen einer Ausgangsspannung. Es sei hier angemerkt, daß die Amplitude der Vibration in der zweiten Richtung proportional zu einer Amplitude der Vibration in der ersten Richtung und der Drehwinkelgeschwindigkeit ist. Wenn die Amplitude der Vibration in der ersten Richtung konstant gehalten wird, kann die an den piezoelektrischen Vibrator angelegte Drehwinkelgeschwindigkeit aus der Ausgangsspannung berechnet werden.
Ein herkömmlicher Aufbau des piezoelektrischen Vibrationsgyroskop eines beschriebenen Types benutzt einen Biegevibrationsmodus des piezoelektrischen Vibrators, der einen rechteckigen Metallträger als einen Vibrationskörper und auf verschiedenen Oberflächen des Vibrationskörpers angebrachte piezoelektrische Vibrationselemente aufweist. Der piezoelektrische Vibrator muß an Knotenpunkten der Vibration gelagert oder befestigt sein. Weiter müssen die Antriebs- und die Erfassungsschaltung mit Elektroden der piezoelektrischen Vibrationselemente unter Benutzung von Leitungsdrähten verbunden sein. Da die Verbindung der Leitungsdrähte die Eigenschaften des Gyroskopes beeinflußt, ist es schwierig, stabil Gyroskope mit konstanten Eigenschaften herzustellen. Weiterhin muß der piezoelektrische Vibrator durch einen Halter getragen sein und auf einem Substrat angebracht sein, das mit der Treiber- und Erfassungsschaltung darauf versehen ist. Bei diesem Aufbau ist es schwierig, die Größe und die Dicke des piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes zu verringern.
Auf der andern Seite wird ein piezoelektrischer Vibrator, der eine Energie-Einfangsvibration ausführt, ausführlich in einem Mittelfrequenzfilter für ein FM-Radio der Fernsehen benutzt, siehe z. B. die DE 27 31 558 A1. Bei der Energie-Einfangsvibration wird die Vibrationsenergie auf die Nachbarschaft einer Treiberelektrode konzentriert. Die Energie-Einfangsvibration enthält verschiedene Vibrationsmodi wie eine Längs- oder Schervibration in entweder einer Dickenrichtung oder in einer Breitenrichtung einer piezoelektrischen Platte. Es sei hier angemerkt, daß die Längsvibration in der Dickenrichtung ein Vibrationsmodus derart ist, daß sowohl die Ausbreitungsrichtung der Vibration als auch die Versetzung durch die Vibration parallel zu der Dickenrichtung der piezoelektrischen Platte sind. Andererseits ist die Schervibration in der Dickenrichtung ein Vibrationsmodus derart, daß die Ausbreitungsrichtung parallel zu der Dickenrichtung ist, während die Versetzung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung ist. In dem folgenden kann die letztere kurz die Dickenschervibration genannt werden. Bei dem oben beschriebenen piezoelektrische Vibrator kann ein Leitungsanschluß an einer gewünschten Position gebildet werden, ohne daß er durch einen Tragaufbau beeinflußt wird.
Folglich werden die oben erwähnten Vorteile beseitigt, wenn der oben erwähnte piezoelektrische Vibrator, der in dem Mittelfrequenzfilter benutzt wird, auf das piezoelektrische Vibrationsgyroskop anstatt den piezoelektrischen Vibrator mit dem vibrierenden Trägerkörper angewendet werden kann.
Aus Electronics and Communications in Japan, Teil II, Bd. 79, Nr. 7, Juli 1996 und Denshi Joho Tsushin Gakkai Ronbunshi, Bd. 78-C-1, Nr. 11, November 1995, Tokio, S. 466-473, Kiyoshi Nakamura: "Elastic waves Energy-Trapping and its application to Piezoelectric devices" ist ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop bekannt. Es weist eine piezoelektrische Platte mit einer Hauptoberfläche auf und ist in einer Dickenrichtung polarisiert. Zwei Treiberelektroden sind auf der oberen bzw. der unteren Oberfläche vorgesehen. Zwei Ausgangselektroden sind an zwei seitlichen Seitenoberflächen vorgesehen. Das Gyroskop benutzt das Prinzip der eingefangenen Energie.

Zusammenfassung der Erfindung:

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop vorzusehen, bei dem ein piezoelektrischer Vibrator einen einfachen Aufbau aufweist und Leitungsdrähte nicht als Eingangs/Ausgangsverbindungen benutzt werden.
Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop vorzusehen, bei dem eine Treiberschaltung zum Antreiben eines piezoelektrischen Vibrators und eine Erfassungsschaltung zum Erfassen einer Ausgabe des piezoelektri schen Vibrators auf einem Substrat gebildet sind, auf dem auch der piezoelektrische Vibrator angebracht ist.
Es ist eine noch andere Aufgabe dieser Erfindung, ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop vorzusehen, das in der Größe und in der Dicke klein ist.
Es ist noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung, ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop vorzusehen, bei dem eine charakteristische Fluktuation in Abhängigkeit eines Tragaufbaues unterdrückt ist.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein piezoelektrisches Vibrationsgyroskop, das einen Energie-Einfangsvibrationsmodus benutzt, mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Gyroskopes sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung:

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes;
Fig. 2A ist eine Draufsicht eines herkömmlichen Energie- Einfangsvibrators;
Fig. 2B ist eine Schnittansicht, die entlang einer Linie 2B-2B in Fig. 2A genommen ist aber Abschnitte wegläßt, die nicht als Elektroden dienen sondern als Leitungen dienen;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht, die einen Tragaufbau des Energie-Einfangsvibrators in Fig. 2A zeigt;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Energie- Einfangsvibrators eines piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 5A ist eine Draufsicht zum Beschreiben des Prinzipes der Energie-Einfangsvibration in einem Schervibrationsmodus wie einer Parallelfeldanregung;
Fig. 5B ist eine Schnittansicht, die entlang einer Linie 5B-5B in Fig. 5A genommen ist aber Abschnitte wegläßt, die nicht als Elektroden dienen sondern als Leitungen dienen;
Fig. 6 ist eine Ansicht zum Beschreiben der Verschiebungsverteilung in der in Zusammenhang mit Fig. 5A und 5B beschriebenen Energie-Einfangsvibration;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Energie- Einfangsvibrators eines piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 8 ist ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung, die mit dem piezoelektrischen Vibrator in Fig. 7 verbunden ist;
Fig. 9 ist ein Schaltungsdiagramm einer jeden Stromerfassungsschaltung in der in Fig. 8 dargestellten elektrischen Schaltung;
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Energie- Einfangsvibrators eines piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung; und
Fig. 11 ist ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung, die mit dem piezoelektrischen Vibrator in Fig. 10 verbunden ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:

Zum Erleichtern eines Verständnisses dieser Erfindung wird zuerst eine Beschreibung über ein herkömmliches piezoelektrisches Vibrationsgyroskop unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 gegeben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 1, das bei 21 gezeigte piezoelektrische Vibrationsgyroskop weist einen Metallstabkörper 23 mit einem quadratischen Schnitt und ein erstes und ein zweites piezoelektrisches Vibrationselement 25 und 27 auf, die mit zwei benachbarten Oberflächen des Metallstabkörpers 23 an ihren entsprechenden ungefähren Mittenbereichen verbunden sind. Jedes des ersten und des zweiten piezoelektrischen Vibrationselementes 25 und 27 weist eine dünne piezoelektrische Keramikplatte, die in einer Dickenrichtung polarisiert ist, auf gegenüberliegenden Oberflächen davon gebildete Elektroden und mit einer der Elektroden der dünnen piezoelektrischen Keramikplatte 25 und 27 verbundene Leitungsdrähte 29 und 31 auf. Eine Kombination des Metallstabkörpers 23 und des ersten und des zweiten piezoelektrischen Vibrationselementes 25 und 27 bildet einen Stabvibrator.
Wie im Stand der Technik bekannt ist, weist der Metallstabkörper 23 eines quadratischen Schnittes einen ersten und einen zweiten Biegevibrationsmodus mit einer ersten und einer zweiten Vibrationsrichtung senkrecht zueinander auf. Der erste und der zweite Biegevibrationsmodus weisen Resonanzfrequenzen im wesentlichen gleich zueinander auf, soweit der Metallstabkörper 23 aus einem homogenen Metallmaterial hergestellt ist. Wenn folglich an das erste piezoelektrische Vibrationselement 25 eine Anregungsspannung mit einer Frequenz im wesentlichen gleich zu den oben erwähnten Resonanzfrequenzen des Metallstabkörpers 23 angelegt wird, vibriert der Metallstabkörper 23 in einer y-Achsenrichtung als eine primäre Biegevibration, so daß die Oberfläche davon gewellt wird, mit der das erste piezoelektrische Vibrationselement 25 verbunden ist. In diesem Zustand wird der Metallstabkörper 23 mit einer Drehwinkelgeschwindigkeit (Ω) um eine z- Achsenrichtung parallel zu der Längsrichtung des Metallstabkörpers 23 gedreht. Dann vibriert durch die Wirkung der Corioliskraft der Metallstabkörper 23 auch als eine sekundäre Biegevibration in eine x-Achsenrichtung, so daß die Oberfläche gewellt wird, mit der das zweite piezoelektrische Vibrationselement 27 verbunden ist. Als Konsequenz wird eine elektrische Spannung über die Elektroden des zweiten piezoelektrischen Vibrationselementes 27 unter einem piezoelektrischen Effekt erzeugt. Die Amplitude der so erzeugten elektrischen Spannung ist proportional zu der Amplitude der primären Biegevibration, die von dem ersten piezoelektrischen Vibrationselement 25 erregt wird, und der Drehwinkelgeschwindigkeit, die zum Drehen des Metallstabkörpers 23 angelegt ist.
Wenn daher die an das erste piezoelektrische Vibrationselement 25 angelegte effektive Erregungsspannung konstant ist, ist die in dem zweiten piezoelektrischen Vibrationselement 27 erzeugte effektive Spannung proportional zu der Drehwinkelgeschwindigkeit des Metallstabkörpers 23.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 2A und 2B, ein piezoelektrischer Vibrator 45, der eine Energie-Einfangsvibration ausführt, wird ausführlich in einem Zwischenfrequenzfilter eines FM-Radios oder eines Fernsehgerätes benutzt (DE 27 31 558 A1). Die Energie- Einfangsvibration ist ein Vibrationsmodus, bei dem die Vibrationsenergie in der Nachbarschaft der Treiberelektroden konzentriert ist und verschiedene Vibrationsmodi wie eine Längs- oder Schervibration in entweder einer Dickenrichtung oder in einer Breitenrichtung einer piezoelektrischen Platte 33 enthält.
Als Beispiel wird angenommen, daß die piezoelektrische Platte 33 eine Größe von 6 mm · 6 mm und eine Dicke von 0,2 mm aufweist. Die Treiberelektroden 35, 37 und 39 sind auf der piezoelektrischen Platte 33 innerhalb ungefähr eines Mittelbereiches mit einem Durchmesser von 1,5 mm gebildet. Somit wird ein 10,7 MHz- Keramikfilter für ein FM-Radio erhalten. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist ein hohler Abschnitt 41 auf beiden Oberflächen der piezoelektrischen Platte 33 innerhalb eines Bereiches mit einem Durchmesser von ungefähr 3 mm um die Treiberelektroden 35, 37 und 39 gebildet, während der verbleibende Abschnitt durch eine Harzschicht 43 befestigt ist. Bei diesem Aufbau sind die Vibratoreigenschaften nicht wesentlich beeinflußt. Dieses ist so, da bei der Energie-Einfangsvibration die Vibrationsenergie auf die Nachbarschaft der Treiberelektrode konzentriert ist, wie oben beschrieben wurde. Somit können bei dem piezoelektrischen Vibrator 45 Leitungsanschlüsse an jeder gewünschten Position gebildet werden, und kein Einfluß wird auf den Tragaufbau verursacht.
Nun wird die Beschreibung über diese Erfindung in Zusammenhang mit mehreren bevorzugten Ausführungsformen davon gegeben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 4, ein piezoelektrischer Vibrator 51 eines piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes, das einen Energie-Einfangsvibrationsmodus benutzt, gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung weist eine piezoelektrische Platte 53 auf, die in einer Dickenrichtung polarisiert ist. Auf einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Platte 53 ist ein erstes Paar von Elektroden 55a und 55b an einer ungefähren Mitte davon so gebildet, daß sie einander mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen gegenüberliegen. Entsprechend ist ein zweites Paar von Elektroden 57a und 57b so gebildet, daß sie einander an Positionen gegenüberliegen, die winkelmäßig um 90º von dem ersten Paar von Elektroden 55a und 55b versetzt sind. Auf der anderen Hauptoberfläche der piezoelektrischen Platte 53 ist ein drittes Paar von Elektroden 59a und 59b an einem Abschnitt gebildet, der einem Bereich entspricht, in dem das erste Paar von Elektroden 55a und 55b und das zweite Paar von Elektroden 57a und 57b gebildet sind. Genauer, das dritte Paar von Elektroden 59a und 59b ist so gebildet, daß sie einander an Positionen gegenüberliegen, die winkelmäßig um 45º von dem ersten Paar von Elektroden 55a und 55b versetzt sind, wie durch gestrichelte Linien in der Figur gezeigt ist.
Wie später im einzelnen beschrieben wird, wird eine Wechselspannung als Erregerspannung zwischen dem dritten Paar von Elektroden 59a und 59b angelegt. Die Erregerspannung weist eine Frequenz im wesentlichen gleich einer Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Platte 53 in einem Schermodus in einer Dickenrichtung (hier im folgenden kurz Dickenschermodus genannt) der piezoelektrischen Platte 53 auf. In diesem Fall wird in einem Bereich zwischen dem dritten Paar von Elektroden 59a und 59b eine primäre Dickenschervibration in einem Energie- Einfangsvibrationsmodus in einer Richtung erzeugt, entlang der das dritte Paar von Elektroden 59a und 59b einander zugewandt ist. In diesem Zustand wird die piezoelektrische Platte 53 um eine Achse senkrecht zu den Hauptoberflächen gedreht. Dann wird durch die Wirkung der Corioliskraft eine sekundären Dickenschervibration in einer Richtung senkrecht zu der der bereits erregten primären Dickenschervibration erzeugt. Die durch die Corioliskraft erzeugte sekundäre Dickenschervibration induziert eine erste und eine zweite elektrische Spannungspotentialdifferenz zwischen dem ersten Paar von Elektroden 55a und 55b bzw. zwischen dem zweiten Paar von Elektroden 57a und 57b. Die erste und die zweite elektrische Spannungspotentialdifferenz weisen eine gemeinsame Amplitude und unterschiedliche Phasen auf, die um 180º gegeneinander verschoben sind. Dieses ist so, da das erste und das zweite Elektrodenpaar um ± 45º winkelmäßig in Bezug auf die Richtung der primären Dickenschervibration versetzt sind.
Daher kann durch Erfassen einer Differenzspannung zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Spannungspotentialdifferenz und durch Unterwerfen der Differenzspannung einer synchronen Erfassung eine Ausgangsspannung proportional zu der Drehwinkelgeschwindigkeit erhalten werden.
Bei der ersten Ausführungsform ist es wichtig, eine reine Energie-Einfangsvibration ohne irgendwelche Nebenvibrationen in dem Bereich anzuregen, in dem jedes Paar von Elektroden einander zugewandt ist. Insbesondere, wenn die piezoelektrische Platte 53 ein piezoelektrisches Keramikmaterial aufweist, wird die oben erwähnte Aufgabe durch Polarisieren in einer Dickenrichtung nur der Nachbarschaft des Gebietes erzielt, in dem jedes des ersten bis dritten Paares von Elektroden gebildet ist.
Als nächstes wird Bezug genommen auf Fig. 5A, 5B und 6, das Prinzip der Energie-Einfangsvibration wird unter Benutzung eines piezoelektrischen Vibrators eines einfachen Aufbaus beschrieben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 5A und 5B, der piezoelektrische Vibrator weist Teilelektroden 61a und 61b auf, die in einem Mittelbereich auf einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Platte 53 gebildet sind, die in der Dickenrichtung oder einer z- Achsenrichtung polarisiert ist. Die Teilelektroden 61a und 61b sind einander in einer x-Achsenrichtung zugewandt. Ein Abschnitt zwischen den Teilelektroden 61a und 61b wird mit einem elektrischen Feld im wesentlichen parallel zu der einen Hauptoberfläche der piezoelektrischen Platte 53 beaufschlagt. Die Größe der Teilelektroden 61a und 61b ist ungefähr in Abhängigkeit der Eigenschaften eines piezoelektrischen Materiales der piezoelektrischen Platte 53 ausgelegt. Durch die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und der Polarisation in der Dickenrichtung senkrecht zu dem elektrischen Feld wird eine Energie- Einfangsvibration in einem Dickenschervibrationsmodus in dem oben erwähnten Abschnitt durch das parallele elektrische Feld angeregt.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 6, die Verschiebungsverteilung in der Dickenrichtung ist in dem Fall gezeigt, in dem Resonanz bei einer halben Wellenlänge des piezoelektrischen Vibrators in Fig. 5A und 5B verursacht wird. Eine x-Achse, eine y-Achse und eine z-Achse in Fig. 6 entsprechen der x-Achsenrichtung, der y-Achsenrichtung bzw. der z-Achsenrichtung in Fig. 5A. Bei der Dickenschervibration ist die Ausbreitungsrichtung parallel zu der Dickenrichtung, während die Verschiebung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung ist, d. h. die Verschiebung ist parallel zu der Oberfläche der piezoelektrischen Platte 53.
Das piezoelektrische Vibrationsgyroskop gemäß der ersten oben beschriebenen Ausführungsform weist verschiedene Vorteile auf. Insbesondere ist das piezoelektrische Vibrationsgyroskop einfach im Aufbau und daher klein in der Größe. Eingangs- und Ausgangsanschlüsse können ohne Benutzung eines Leitungsdrahtes verbunden werden. Die Gyroeigenschaften sind im wesentlichen frei von dem Einfluß des Trag- und Befestigungsaufbaues. Sicheres und zuverlässiges Tragen ist sichergestellt, und die Antivibrations- und Antistoßeigenschaften sind hervorragend. Da zusätzlich die Trei ber- und Erfassungsschaltung des piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes auf dem gleichen Substrat gebildet werden können, auf dem der piezoelektrische Vibrator gebildet ist. Daher ist das piezoelektrische Vibrationsgyroskop weiter in der Größe und in der Dicke verringert.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 7, ein piezoelektrischer Vibrator 63 eines piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes, das einen Energie-Einfangsvibrationsmodus verwendet, weist gemäß der zweiten Ausführungsform eine erste bis dritte Elektrode 65, 67 und 69 auf, die an einer ungefähren Mitte auf einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Platte 53 gebildet sind, die in der Dickenrichtung polarisiert ist. Die erste bis dritte Elektrode 65, 67 und 69 sind an Positionen gebildet, die Spitzen eines gleichschenkligen Dreieckes entsprechen.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 8, der piezoelektrische Vibrator 63 ist mit einer in der Figur dargestellten elektrischen Schaltung verbunden. Insbesondere ist die erste Elektrode 65 mit einer Wechselstromversorgung 71 verbunden. Die zweite und die dritte Elektrode 67 und 69 sind mit Eingangsanschlüssen einer ersten und einer zweiten Stromerfassungsschaltung 73 bzw. 75 verbunden. Die erste und die zweite Stromerfassungsschaltung 73 und 75 weisen Ausgangsanschlüsse an, die mit einer Differentialverstärkerschaltung 77 verbunden sind. Der Differentialverstärker 77 ist mit einer Detektorschaltung 79 zum Erzeugen eines Sensorausganges des piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes verbunden.
Wie in Fig. 9 dargestellt ist, weist jede der ersten und der zweiten Stromerfassungsschaltung 73 und 75, die mit dem piezoelektrischen Vibrator 63 in Fig. 7 verbunden sind, eine virtuelle Massefunktion auf. Jede der ersten und der zweiten Stromer fassungsschaltung 73 und 75 weist eine Funktion derart auf, daß eine Eingangsimpedanz im wesentlichen gleich Null ist und eine Ausgangsspannung proportional zu einem Eingangsstrom ist.
Das Prinzip der Tätigkeit des piezoelektrischen Vibrators 63 gemäß der zweiten Ausführungsform ist ähnlich zu der, die in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist, und sie wird nicht weiter beschrieben.
Zurückkehrend zu Fig. 7, die erste Elektrode 65 ist an einer Position angeordnet, die einem oberen Winkel des gleichschenkligen Dreieckes entspricht, während die zweite und die dritte Elektrode 67 und 69 an Positionen entsprechend den Basiswinkeln angeordnet sind. Die zweite und die dritte Elektrode 67 und 69 sind mit der ersten bzw. der zweiten Stromerfassungsschaltung 73 und 75 verbunden, die die virtuelle Massefunktion aufweisen. Somit sind die zweite und die dritte Elektrode 67 und 69 mit virtuellen Masseschaltungen verbunden und dienen als Masseanschlüsse in ihrem Potential.
Wenn an die erste Elektrode 65 eine Treiberspannung als eine Anregungsspannung mit einer Frequenz im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Platte 53 in dem Dickenschervibrationsmodus angelegt wird, wird eine primäre Dickenschervibration in dem Energie-Einfangsvibrationsmodus in einem Bereich verursacht, der von der ersten, der zweiten und der dritten Elektrode 65, 67 und 69 umgeben ist, entlang einer geraden Linie, die die Mitte der ersten Elektrode 65 und ein Mittelpunkt zwischen den Zentren der zweiten und der dritten Elektrode 67 und 69 verbindet. In diesem Zustand wird die piezoelektrische Platte 53 um eine Achse senkrecht zu ihren Hauptoberflächen gedreht. Dann wird durch die Wirkung der Corioliskraft eine sekundäre Dickenschervibration in einer Richtung senkrecht zu der primären Dickenschervibration verursacht. Die sekundäre Dickenschervibration ändert die Impedanzen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 65 und 67 und zwischen der ersten und der dritten Elektrode 65 und 69. Als Resultat wird ein elektrischer Strom, der zu jeder der ersten und zweiten Stromerfassungsschaltung 73 und 75 geliefert wird, im Pegel geändert.
Es sei hier angemerkt, daß die zweite und die dritte Elektrode 67 und 69 symmetrisch in Bezug auf die Richtung der primären Dickenschervibration angeordnet sind. Daher sind die elektrischen Ströme, die in die erste bzw. die zweite Stromerfassungsschaltung 73 und 75 fließen, einander in der Amplitude gleich und unterscheiden sich in der Phase um 180º voneinander.
Daher sind die Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Stromerfassungsschaltung 73 und 75 gleich in der Amplitude und unterscheiden sich um 180º voneinander in der Phase. Eine Differentialspannung zwischen den Ausgangsspannungen wird erfaßt und einer synchronen Erfassung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt unterworfen. Somit kann eine Ausgangsspannung proportional zu der Drehwinkelgeschwindigkeit erhalten werden, die an den piezoelektrischen Vibrator 63 angelegt ist.
Auch bei der zweiten Ausführungsform ist es wichtig, eine reine Energie-Einfangsvibration ohne Nebenvibration in dem Bereich anzuregen, in dem die Elektroden einander zugewandt sind. Dieses wird erzielt durch Polarisieren in einer Dickenrichtung nur in der Nachbarschaft des Bereiches der piezoelektrischen Platte 53, in dem die erste bis dritte Elektrode 65, 67 und 69 gebildet sind, wenn die piezoelektrische Platte 53 aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt ist.
Das piezoelektrische Vibrationsgyroskop gemäß der zweiten oben beschriebenen Ausführungsform weist verschiedene Vorteile auf. Insbesondere ist das piezoelektrische Vibrationsgyroskop einfach im Aufbau und daher klein in der Größe. Eingangs- und Ausgangsanschlüsse können ohne Leitungsdrähte zu benutzen verbunden werden. Gyrocharakteristiken sind im wesentlichen frei von dem Einfluß des Trag- und Befestigungsaufbaues. Ein sicheres Tragen wird sichergestellt, und die Antivibrations- und Antistoßeigenschaften sind hervorragend.
Als nächstes wird eine Beschreibung über eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung gegeben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 10, ein piezoelektrischer Vibrator 81 eines piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes, das einen Energie-Einfangsvibrationsmodus benutzt, gemäß der dritten Ausführungsform weist eine erste bis eine dritte Elektrode 83, 85 und 87 auf, die an ungefähren Mitten einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Platte 53 gebildet sind, die in ihrer Dickenrichtung polarisiert ist. Die erste bis dritte Elektrode 83, 85 und 87 sind an Positionen gebildet, die Spitzen eines gleichschenkligen Dreieckes entsprechen.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 11, der piezoelektrische Vibrator 81 ist mit einer in der Figur dargestellten elektrischen Schaltung verbunden. Genauer, die erste Elektrode 83 ist mit einem Masseanschluß 91 verbunden, während die zweite und dritte Elektrode 85 und 87 mit einer Wechselstromversorgung 97 durch Widerstände 93 bzw. 95 verbunden sind. Die zweite und die dritte Elektrode 85 und 87 sind ebenfalls mit Eingangsanschlüssen einer Differentialverstärkerschaltung 77 verbunden. Die Differentialverstärkerschaltung 77 weist einen Ausgangsanschluß auf, der mit einer Erfassungsschaltung 79 verbunden ist, zum Erzeugen einer Sensorausgabe des piezoelektrischen Vibrationsgyroskopes.
Das Betriebsprinzip des piezoelektrischen Vibrators gemäß der dritten Ausführungsform ist ähnlich zu dem in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen und wird nicht weiter beschrieben.
Es wird zurückgekehrt zu Fig. 10, die erste Elektrode 83 ist an einer Position entsprechend einem oberen Winkel des gleichschenkligen Dreieckes angeordnet, während die zweite und die dritte Elektrode 85 und 87 an Positionen entsprechend den Basiswinkeln angeordnet sind. Wie oben beschrieben wurde, ist die erste Elektrode 83 auf Masse gelegt, während die zweite und die dritte Elektrode 85 und 87 mit der Wechselstromversorgung 97 durch die Widerstände 93 bzw. 95 verbunden sind. An die zweite und die dritte Elektrode 85 und 87 wird von der Wechselstromversorgung 97 durch die Widerstände 93 und 95 eine Treiberspannung als eine Anregungsspannung mit einer Frequenz im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Platte 53 in dem Dickenschervibrationsmodus angelegt. In diesem Fall wird eine erste primäre Dickenschervibration in dem Energie- Einfangsvibrationsmodus in einem Gebiet bewirkt, das von der ersten, der zweiten und der dritten Elektrode 83, 85 und 87 umgeben ist, entlang einer geraden Linie, die die Mitten der ersten und der zweiten Elektrode 83 und 85 verbindet. Gleichzeitig wird eine zweite primäre Dickenschervibration in dem Energie- Einfangsvibrationsmodus entlang einer anderen geraden Linie bewirkt, die die Mitten der ersten und der dritten Elektrode 83 und 87 verbindet. Die erste und die zweite primäre Dickenschervibration werden zum Bilden einer resultierenden kombinierten primären Dickenschervibration in dem Energie- Einfangsvibrationsmodus in einer Richtung entlang einer geraden Linie (die durch eine gestrichelte Linie in Fig. 10 gezeigt ist) zwischen der Mitte der ersten Elektrode 83 und einem Mittelpunkt zwischen den Mitten der zweiten und der dritten Elektrode 85 und 87 kombiniert. In diesem Zustand wird die piezoelektrische Platte 53 um eine Achse senkrecht zu ihren Hauptoberflächen gedreht. Dann wird durch die Wirkung der Corioliskraft eine sekundäre Dickenschervibration in einer Richtung senkrecht zu der kombinierten primären Dickenschervibration verursacht. Die sekundäre Dickenschervibration ändert die Impedanz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 83 und 85 und zwischen der ersten und der dritten Elektrode 83 und 87. Als Resultat werden die Anschlußspannungen der zweiten und der dritten Elektrode 85 und 87 geändert. Die Impedanz wird proportional zu der Drehwinkelgeschwindigkeit geändert, die an den piezoelektri schen Vibrator 81 angelegt ist, soweit die Erregerspannung konstant gehalten wird.
Eine Differentialspannung zwischen den Anschlußspannungen der zweiten und der dritten Elektrode 85 und 87 wird durch die Differentialverstärkerschaltung 77 erfaßt und einer synchronen Erfassung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt unterworfen. Somit kann eine Ausgangsspannung proportional zu der angelegten Drehwinkelgeschwindigkeit, die an den piezoelektrischen Vibrator 81 angelegt ist, erhalten werden.
Auch bei der dritten Ausführungsform ist es wichtig, eine reine Energie-Einfangsvibration ohne Nebenvibration in dem Bereich zu erregen, in dem die Elektroden einander zugewandt sind. Dieses wird ebenfalls durch Polarisieren in einer Dickenrichtung nur der Nachbarschaft des Bereiches der piezoelektrischen Platte 53 erzielt, an dem die erste bis dritte Elektrode 83, 85 und 87 gebildet sind, wenn die piezoelektrische Platte 53 aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt ist.
Das piezoelektrische Vibrationsgyroskop gemäß der dritten oben beschriebenen Ausführungsform weist verschiedene Vorteile auf. Insbesondere ist das piezoelektrische Vibrationsgyroskop einfach im Aufbau und daher klein in der Größe. Eingangs- und Ausgangsanschlüsse können ohne Benutzung eines Leitungsdrahtes verbunden werden. Die Gyrocharakteristiken sind im wesentlichen frei von einem Einfluß des Trag- und Befestigungsaufbaues. Sicheres und zuverlässiges Tragen wird sichergestellt, und die Antivibrations- und Antistoßeigenschaften sind hervorragend.

Claims

1. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop (51, 63, 81), das einen Energie-Einfangsvibrationsmodus benutzt, welches aufweist:

eine piezoelektrische Platte (53) mit einer Hauptoberfläche, und die in einer Dickenrichtung polarisiert ist;

ein Treiberelektrodenmittel (59a, 59b; 65; 85, 87, 83), das auf der piezoelektrischen Platte (53) so gebildet ist, daß eine Anregungsspannung zum Anregen der Energie-Einfangsvibration der piezoelektrischen Platte (53) angelegt wird;

ein Anregungselektrodenmittel (55a, 55b, 57a, 57b; 67, 69; 85, 87), das auf der Hauptoberfläche gebildet ist, zum Erfassen einer Ausgangsspannung, die durch die Corioliskraft induziert wird, die durch die Drehung der piezoelektrischen Platte (53) um eine Achse senkrecht zu der Hauptoberfläche der piezoelektrischen Platte (53) verursacht wird, während die Energie- Einfangsvibration der piezoelektrischen Platte angeregt ist;

worin eine erste bis n-te Elektrode (55a, 55b, 57a, 57b; 65, 67, 69; 83, 85, 87), wobei n eine ganze Zahl nicht kleiner als 3 ist, in einem im allgemeinen mittleren Bereich der Hauptoberfläche an Positionen, die einer ersten bis n-ten Spitze eines Polygones mit n Winkeln entsprechen, gebildet sind, wobei mindestens zwei der ersten bis n-ten Elektrode als das Ausgangselektrodenmittel dienen.

2. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop nach Anspruch 1, bei dem das Treiberelektrodenmittel ein Paar von Treiberelektroden (59a, 59b) aufweist, die auf der anderen Oberfläche der piezoelektrischen Platte (53) gegenüber der Hauptoberfläche gebildet sind.

3. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop (51) nach Anspruch 2, bei dem n = 4 so ist, daß das Polygon ein Rechteck mit zwei Diagonalen senkrecht zueinander ist, ein erstes Elektrodenpaar (55a, 55b) durch eine erste und eine dritte Elektrode einander gegenüberliegend entlang einer der zwei Diagonalen definiert ist, ein zweites Elektrodenpaar (57a, 57b) durch eine zweite und eine vierte Elektrode einander gegenüberliegend entlang der anderen Diagonale definiert ist, und die Treiberelektroden (59a, 59b) auf der anderen Oberfläche der piezoelektrischen Platte (53) an Positionen gebildet sind, die einem Bereich entsprechen, an dem das erste und das zweite Elektrodenpaar (55a, 55b, 57a, 57b) gebildet sind, wobei die Treiberelektroden (55a, 55b) einander gegenüberliegend in einer Richtung angeordnet sind, die um ungefähr 45º von der einen Diagonalen versetzt ist, entlang der das erste Elektrodenpaar (55a, 55b) vorhanden ist, und das erste (55a, 55b) und das zweite (57a, 57b) Elektrodenpaar als das Ausgangselektrodenmittel zum Erfassen der Ausgangsspannung als eine Differentialspannung dazwischen dienen.

4. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop nach Anspruch 3, bei dem die piezoelektrische Platte (53) aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt ist, die piezoelektrische Platte (53) in einer Dickenrichtung nur in der Nachbarschaft von jenen Bereichen polarisiert ist, die das erste Elektrodenpaar (55a, 55b) und die Treiberelektroden (59a, 59b) enthalten.

5. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine der ersten bis n-ten Elektrode (65; 83, 85, 87) als das Treiberelektrodenmittel zum Anlegen der Treiberspannung benutzt wird.

6. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop (63, 81) nach Anspruch 5, bei dem n = 3 so ist, daß das Polygon ein gleichschenkliges Dreieck ist, das ein gleichseitiges Dreieck enthält, eine erste der drei Elektroden (65, 67, 69; 83, 85, 87) an einer Position entsprechend einem oberen Winkel des gleichschenkligen Dreiecks gebildet ist, während die verbleibenden zweite und dritte Elektrode an Positionen entsprechend den Basiswinkeln des gleichschenkligen Dreieckes gebildet sind.

7. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop (81) nach Anspruch 6, bei dem die zweite und die dritte Elektrode (85, 87) mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt durch Widerstände (93, 95) verbunden sind, das Treiberelektrodenmittel eine erste bis dritte Elektrode (83, 85, 87) so aufweist, daß die Treiberspannung zwischen der ersten Elektrode (83) und dem gemeinsamen Verbindungspunkt angelegt ist, und die Ausgangsspannung als die Differentialspannung zwischen der zweiten und der dritte Elektrode (85, 87) erfaßt wird, wobei die erste Elektrode (83) bevorzugt auf Masse gelegt ist.

8. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop (63) nach Anspruch 6, bei dem die erste Elektrode (65) als das Treiberelektrodenmittel dient, die zweite und die dritte Elektrode (67, 69) als das Ausgangselektrodenmittel dienen zum Erzielen der Differentialspannung zwischen der zweiten und der dritten Elektrode (67, 69).

9. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop (63) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die erste Elektrode (65) als eine Treiberelektrode (65) zum Anlegen der Treiberspannung benutzt wird, die zweite und die dritte Elektrode (67, 69) mit einer ersten und einer zweiten Stromerfassungsschaltung (73, 75) mit einer virtuellen Massefunktion verbunden sind, wobei die Treiberelektrode (65) die Vibration der piezoelektrischen Platte (53) zum Extrahieren einer Differentialspannung zwischen Ausgangsspannungen der ersten und der zweiten Stromerfassungsschaltung (73, 75) angeregt wird, wobei die Differentialspannung zum Erzeugen eines Ausganges des Gyroskopes erfaßt wird.

10. Piezoelektrisches Vibrationsgyroskop (63, 81) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die piezoelektrische Platte (53) aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt ist, wo bei die piezoelektrische Platte (53) in einer Dickenrichtung davon nur in der Nachbarschaft eines Bereiches polarisiert ist, an dem die erste bis dritte Elektrode (65, 67, 69; 83, 85, 87) gebildet sind.