DE69734752T2

DE69734752T2 - Drehgeschwindigkeitsdetektorvorrichtung

Info

Publication number: DE69734752T2
Application number: DE69734752T
Authority: DE
Inventors: Nobuyoshi Toyota-shi Sugitani
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2017-07-17
Also published as: EP0825416A3; US6134962A; EP0825416A2; JPH1054723A; JP3752737B2; KR100261357B1; KR19980018331A; EP0825416B1; DE69734752D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung bzw. eine Drehgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung, die bei Navigationssystemen oder einer Lagesteuerung eines Kraftfahrzeugs bzw. Automobils verwendet wird, und insbesondere eine Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung eines Schwingungstyps.
Verwandter Stand der Technik
Herkömmlich sind Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtungen des Schwingungstyps bekannt, die das Phänomen verwenden, dass, wenn ein Schwingungskörper einer Drehung unterworfen ist, eine neue Schwingung entsprechend der Winkelgeschwindigkeit der Drehung aufgrund der Coriolis-Kraft auftritt. Ein Beispiel einer derartigen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung ist ein Drehgeschwindigkeitssensor, der beispielsweise in dem Mitteilungsblatt der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 7-55479 beschrieben ist. Eine Schwingungseinrichtung bzw. ein Vibrator, die bei diesem Drehgeschwindigkeitssensor verwendet wird, weist einen Aufbau auf, dass in der XY-Ebene zwei Anregungsschenkel bzw. Anregungsausläufer in die Richtung von +Y von einer Seite eines rechteckigen Rahmens herausragen und zwei Aufnahmeschenkel bzw. Aufnahmeausläufer in die Richtung von –Y von der entgegengesetzten Seite des Rahmens herausragen. Bei diesem Aufbau schwingen, wenn die Anregungsschenkel angeregt werden, um in den X-Richtungen zu schwingen, die Anregungsschenkel ebenso in den Z-Richtungen aufgrund der Coriolis-Kraft, die mit einer Drehung der Schwingungseinrichtung auftritt. Diese Schwingung in den Z-Richtungen (in den Richtungen, die senkrecht zu der XY-Ebene sind) wird zu den Aufnahmeschenkeln übertragen. Bei der Aufnahmeastseite wird diese Schwingung in Z-Richtung, die so übertragen wird, erfasst und die Winkelgeschwindigkeit der Drehung der Schwingungseinrichtung wird von einem Erfassungsergebnis abgeleitet.
Diese Schwingungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik weist eine Anbringbasis bzw. einen Grundrahmen innerhalb des Rahmens auf, wobei die Anbringbasis mit dem Rahmen durch Querbrücken verbunden ist, die zwischen der Anbringbasis und jeder Seite des Rahmens, bei dem die Anregungsschenkel und die Aufnahmeschenkel bereitgestellt sind, angeordnet sind. Diese Schwingungseinrichtung ist bei einem zu erfassenden Körper befestigt, indem die Anbringbasis bei einem Stator angebracht wird, der bei dem zu erfassenden Körper befestigt ist. Wenn Teile der Schwingungsstäbe befestigt sind, wird eine Schwingung der Schwingungsstäbe verkleinert. Dies ist der Fall, da sich die Schwingung zu dem Stator ausbreitet, wobei diese Schwingungsausbreitung als Schwingungsableitung bzw. Schwingungsverlust bezeichnet wird. Je höher die Befestigungsstärke zwischen den Schwingungsstäben und dem Stator ist, desto größer ist die Schwingungsableitung. Bei dem Drehgeschwindigkeitssensor gemäß dem vorstehend genannten Stand der Technik wird jedoch der Befestigungsstärke durch den vorstehend genannten Aufbau der Schwingungseinrichtung eine Flexibilität verliehen, wodurch verhindert wird, dass Energie der Schwingung in Z-Richtung der Schwingungsstäbe über den Rahmen zu dem Stator abgeleitet wird bzw. verloren geht. Somit ist eine Verminderung einer Erfassungsgenauigkeit aufgrund der Schwingungsableitung unterdrückt.
Da jedoch diese Schwingungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik in einer derartigen Anordnung aufgebaut ist, dass die Anbringbasis und der Rahmen durch die zwei Querbrücken, d.h. bei zwei Positionen aneinander befestigt sind, verursacht eine Temperaturänderung eine Dehnungsbeanspruchung oder eine Druckbeanspruchung, die sowohl an den Rahmen, die Querbrücken als auch die Anbringbasis anzulegen ist. Diese Beanspruchung verändert die Befestigungsstärke zwischen dem Rahmen und der Anbringbasis, was auch eine Größe der Schwingungsableitung bzw. des Schwingungsverlustes ändert. Als Ergebnis hat sich eine Schwierigkeit ergeben, dass die Erfassungsempfindlichkeit einer Winkelgeschwindigkeit eine Streuung aufweist, die auf der Änderung einer Umgebungstemperatur beruht.
In der nachveröffentlichten Druckschrift EP-A-0 809 087 A2 ist eine Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung beschrieben, die einen Schwingungsstab, der einen piezoelektrischen Kristallabschnitt aufweist, erste und zweite Elektroden, die die Eckabschnitte des Kristallabschnitts abdecken, und eine Erfassungsschaltung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Potenzialdifferenz, die zwischen den Elektroden auftritt, umfasst. Die Elektroden, die mit der Erfassungsschaltung verbunden sind, decken die Eckabschnitte ab.
In der Druckschrift EP-A-0 649 002 A1 ist ein schwingungserfassender Kreisel beschrieben, der aus einer leichten Legierung, wie beispielsweise Duraluminium, aufgebaut ist und eine Basis sowie ein Paar von Zinken umfasst, die parallel zueinander aus der Basis herausragen. Piezoelektrische Elemente sind bei dem Ursprung der Seitenflächen des ersten Zinkens angebracht, um den ersten Zinken entlang einer X-Achse anzuregen. Die Schwingungen des ersten Zinkens entlang der X-Achse pflanzen sich dann zu dem zweiten Zinken fort, um den zweiten Zinken entlang der X-Achse in Schwingung zu versetzen. Piezoelektrische Elemente sind bei dem Ursprung der oberen und unteren Seiten des zweiten Zinkens angebracht, um Schwingungen des zweiten Zinkens entlang einer Y-Achse zu erfassen. Wenn der zweite Zinken die Coriolis-Kraft auf der Grundlage einer Winkelgeschwindigkeit Omega um eine Z-Achse empfängt und entlang der Y-Achse schwingt, werden die Schwingungen entlang der Y-Achse als elektrische Signale (wechselnde Spannungen) durch piezoelektrische Effekte der piezoelektrischen Elemente erfasst.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung zur Lösung der vorstehend genannten Schwierigkeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausgestaltung der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist in einem dreidimensionalen orthogonalen X-, Y- und Z-Koordinatenraum die zugehörige Schwingungseinrichtung eine Schwingungseinrichtungsbasis, die sich in die X-Richtung auf der XY-Ebene erstreckt, zwei erste Schwingungsstäbe, die in die Richtung von +Y von der Schwingungseinrichtungsbasis und bei im Wesentlichen symmetrischen Positionen in Bezug auf eine Y-Richtungsachse, die durch einen Mittelabschnitt der Schwingungseinrichtungsbasis hindurchgeht, herausragen, zwei zweite Schwingungsstäbe, die in die Richtung von –Y von der Schwingungseinrichtungsbasis und bei den gleichen X-Richtungs-Positionen herausragen, wie es die zwei ersten Schwingungsstäbe tun, und eine einzelne Trägerstange auf, die eine vorgeschriebene Drehsteifigkeit aufweist, von dem Mittelabschnitt der Schwingungseinrichtungsbasis herausragt und bei der zugehörigen Spitze an einem zu erfassenden Körper befestigt ist.
Bei dieser Schwingungseinrichtung wird die Befestigungsstärke der Schwingungseinrichtung an den zu erfassenden Körper durch eine Drehsteifigkeit der Trägerstange bestimmt. Da bei dieser Schwingungseinrichtung die Drehsteifigkeit der Trägerstange auf den vorgeschriebenen Wert eingestellt ist, wird die Schwingungsableitung bzw. der Schwingungsverlust von der Trägerstange reguliert, so dass die Erfassungsempfindlichkeit eingestellt wird. Da die Schwingungseinrichtungsbasis bei einer Position mit der Trägerstange, die an dem zu erfassenden Körper befestigt ist, verbunden ist, verursacht eine Ausdehnung oder eine Kontraktion bzw. ein Zusammenziehen eines jeweiligen Elements der Schwingungseinrichtung, was auf der Änderung in der Umgebungstemperatur beruht, keine Beanspruchung, die von der Trägerstange an die Schwingungseinrichtungsbasis anzulegen ist. Folglich wird, da die Drehsteifigkeit der Trägerstange nicht variiert, die Ableitungsgröße bzw. Verlustgröße der Schwingung, die über die Schwingungseinrichtungsbasis zu der Trägerstange übertragen wird, durch die Temperaturänderung nicht beeinflusst.
Die Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf eine derartige Weise aufgebaut sein, dass die Trägerstange der Schwingungseinrichtung in die Richtung von –Y von der Schwingungseinrichtungsbasis herausragt und dass die Anregungseinrichtung die ersten Schwingungsstäbe in den X-Richtungen anregen und in Schwingung versetzen. Mit diesem Aufbau bildet die Anregung einer Schwingung einen Beanspruchungskonzentrationsabschnitt zwischen den zwei ersten Schwingungsstäben auf der Seite des ersten Schwingungsstabes der Schwingungseinrichtungsbasis, wobei aber der Beanspruchungskonzentrationsabschnitt von der Trägerstange getrennt ist, da die Trägerstange bei der Seite der zweiten Schwingungsstäbe der Schwingungseinrichtungsbasis angeordnet ist. Folglich verursacht dieser Aufbau aufgrund einer Positionsabweichung zwischen der Trägerstange und den zwei ersten Schwingungsstäben nicht das Phänomen, dass die Schwingungsbeanspruchung einer Anregung der ersten Schwingungsstäbe die Trägerstange in den X-Richtungen in Schwingung versetzt, oder dergleichen. Zusätzlich tritt, da die Trägerstange eine Übertragung einer Schwingung zwischen den zwei ersten Schwingungsstäben nicht behindert, keine Verringerung in dem Q-Wert auf. Ferner ist die Erfassungsgenauigkeit stabil, da die Schwingungsableitung über die Trägerstange durch die Beanspruchung aufgrund einer Anregung nicht beeinflusst wird.
Wenn die Schwingungseinrichtungsbasis und die ersten sowie zweiten Schwingungsstäbe aus einem einzigen, gleichmäßig dicken Substrat hergestellt werden, ist es möglich, die ersten Schwingungsstäbe und die zweiten Schwingungsstäbe so zu gestalten, dass sie bezüglich der Schwingung in den Richtungen, die senkrecht zu dem Substrat sind, d.h. in den Z-Richtungen miteinander gekoppelt sind, während sie in den X-Richtungen nicht gekoppelt sind, indem die X-Richtung-Breite jedes der ersten Schwingungsstäbe und der zweiten Schwingungsstäbe angepasst wird. Wenn das Substrat aus einer Einzelkristall-Quarzplatte hergestellt ist, kann, da das Substrat selbst ein piezoelektrisches Material ist, die Anregung erreicht werden, indem einfach die Spannung mit sich periodisch ändernden Polaritäten daran in einer vorbestimmten Richtung angelegt wird, wobei eine Schwingung erfasst werden kann, indem einfach eine Änderung einer Polarisierung, die mit der Schwingung auftritt, erfasst wird.
Eine Ausgestaltung der Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein metallisiertes Substrat, das eine Leitung bzw. einen Draht zur Anregung, um einen Schaltungsabschnitt der Anregungseinrichtung mit einer Elektrode zur Anregung, die bei den ersten oder zweiten Schwingungsstäben bereitgestellt ist, zu verbinden, und eine Leitung bzw. einen Draht zur Erfassung umfasst, um einen Schaltungsabschnitt der Erfassungseinrichtung mit einer Elektrode zur Erfassung, die bei den ersten oder zweiten Schwingungsstäben bereitgestellt ist, zu verbinden, wobei die Spitze der Trägerstange an das metallisierte Substrat angeschweißt ist und wobei das metallisierte Substrat bei dem zu erfassenden Körper befestigt ist.
Da die Leitungen des metallisierten Substrats geglüht werden, werden die Leitungen auch durch ein Verschweißen der Trägerstange nicht beschädigt.
Wenn die Schwingungseinrichtung durch ein elektrisch leitendes Potenzialausgleichsmaterial umgeben ist, wird sie von einem Einfluss eines elektromagnetischen Rauschens befreit.
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachstehend angegebenen ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die allein zur Veranschaulichung angegeben sind und nicht als Begrenzung der vorliegenden Erfindung betrachtet werden sollen, besser ersichtlich.
Ein weiterer Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird aus der nachstehend angegebenen ausführlichen Beschreibung ersichtlich. Es ist jedoch zu verstehen, dass die ausführliche Beschreibung sowie die spezifischen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung angeben, lediglich zur Veranschaulichung angegeben sind, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Bereichs der Erfindung für einen Fachmann aus dieser ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt eine Draufsicht, um die Schwingungseinrichtung der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, zu zeigen.
1B zeigt eine Querschnittsdarstellung entlang B-B gemäß 1A.
1C zeigt eine Querschnittsdarstellung entlang C-C gemäß 1A.
2A zeigt eine Darstellung, um den Zustand zu zeigen, bei dem die Schwingungseinrichtung auf dem metallisierten Substrat angebracht ist und in einem Gehäuse untergebracht ist.
2B zeigt eine Schnittdarstellung, die entlang einer Linie A-A gemäß 2A entnommen ist.
3 zeigt ein Blockschaltbild, um eine Anregungsschaltung 50, eine Erfassungsschaltung 60 und eine Winkelgeschwindigkeitsberechnungsschaltung 70 zu zeigen, die in der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden, und um die Verbindungsbeziehung dieser Schaltungen mit Elektroden 21 bis 28 und 31 bis 38 zu zeigen, die bei Schwingungsstäben 12 bis 15 bereitgestellt sind.
4A zeigt eine Schnittdarstellung zur Beschreibung des inversen piezoelektrischen Effekts in den ersten Schwingungsstäben 12 und 13.
4B zeigt eine Darstellung aus der Vogelperspektive zur Beschreibung des inversen piezoelektrischen Effekts in den ersten Schwingungsstäben 12 und 13.
5A zeigt eine Schnittdarstellung zur Beschreibung des piezoelektrischen Effekts in den zweiten Schwingungsstäben 14 und 15.
5B zeigt eine Darstellung aus der Vogelperspektive zur Beschreibung des inversen piezoelektrischen Effekts in den ersten Schwingungsstäben 14 und 15.
6 zeigt eine Draufsicht, um ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schwingungseinrichtung zu zeigen.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
In 1A ist eine Draufsicht gezeigt, um die Schwingungseinrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu zeigen. In dieser Figur ist die X-Achse entlang der horizontalen Richtung entnommen, wobei die positive Richtung nach rechts gerichtet ist, die Y-Achse ist in der vertikalen Richtung entnommen, wobei die positive Richtung nach oben gerichtet ist, und die Z-Achse ist entlang der Richtung entnommen, die senkrecht zu der Ebene der Figur ist, wobei die positive Richtung aus der Ebene der Figur herausgeführt ist. Die Schwingungseinrichtung 10 ist in einer integralen Form eines Einzelkristallsubstrats aus Quarz aufgebaut, wobei sie aus einer Schwingungseinrichtungsbasis 11, die sich in die X-Achsenrichtung erstreckt, ersten Schwingungsstäben 12 und 13 zur Anregung, die sich in die Richtung von +Y von der Schwingungseinrichtungsbasis 11 erstrecken, zweiten Schwingungsstäben 14 und 15 zur Erfassung, die sich in die Richtung von –Y koaxial zu den jeweiligen ersten Schwingungsstäben 12 und 13 von der Schwingungseinrichtungsbasis 11 erstrecken, einer Trägerstange 16, die sich in die Richtung von –Y von der Schwingungseinrichtungsbasis 11 zwischen den zweiten Schwingungsstäben 14 und 15 erstreckt, und einer festen Platte 17, die bei einem Ende der Trägerstange 16 bereitgestellt ist, aufgebaut ist.
Die Kristallachsen von Quarz sind nachstehend kurz beschrieben. Natürliches Quarz ist normalerweise ein Stängelkristall, wobei die vertikale Mittelachse dieses Stängelkristalls, d.h. die <0001>-Kristallachse als die Z-Achse oder als die optische Achse definiert ist und eine Linie, die eine jeweilige Oberfläche des Stängelkristalls senkrecht schneidet, wenn sie durch die Z-Achse hindurchgeht, als die Y-Achse oder als die mechanische Achse definiert ist. Ferner ist eine Linie, die senkrecht zu den vertikalen Kanten dieses Stängelkristalls ist, wenn sie durch die Z-Achse hindurchgeht, als die X-Achse oder als die elektrische Achse definiert.
Das Einzelkristallsubstrat, das für die Schwingungseinrichtung 10 verwendet wird, ist ein Substrat, das als eine Z-Platte bezeichnet wird, die ein Einzelkristallsubstrat ist, das entlang von Ebenen ausgeschnitten ist, die senkrecht oder näherungsweise senkrecht zu der Z-Achse sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel fällt folglich die Z-Achse der kristallographischen Ausrichtung mit der vorstehend genannten Z-Achse zusammen, um die Richtung einer Anordnung der Schwingungseinrichtung 10 in der Zeichnung anzugeben. Es gibt drei Sätze der X-Achse und der Y-Achse von Quarz, die orthogonal zueinander sind, wobei einer hiervon mit der X-Achse und der Y-Achse übereinstimmt, um die Richtungen einer Anordnung der Schwingungseinrichtung 10 bei der Zeichnung anzugeben. Diese Beziehung zwischen den kristallographischen Ausrichtungen und den Richtungen der Schwingungseinrichtung 10 wird ebenso bei den anderen Ausführungsbeispielen, die nachstehend beschrieben sind, angewendet. Obwohl das Quarz, das für die Schwingungseinrichtung 10 verwendet wird, künstliches Quarz ist, ist der Aufbau hiervon der gleiche wie bei natürlichem Quarz.
Die ersten Schwingungsstäbe 12 und 13 sind in der gleichen Größe ausgebildet, wobei beide als Schwingungsstäbe zur Anregung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet werden. Die zweiten Schwingungsstäbe 14 und 15 sind ebenso in der gleichen Größe ausgebildet, wobei beide als Schwingungsstäbe zur Erfassung verwendet werden. Die zweiten Schwingungsstäbe 14 und 15 sind schlanker und länger als die ersten Schwingungsstäbe 12 und 13, so dass die X-Richtung-Eigenfrequenz f_X1 der ersten Schwingungsstäbe 12, 13 unterschiedlich von der X-Richtung-Eigenfrequenz f_X2 der zweiten Schwingungsstäbe 14, 15 ist. Die Z-Richtung-Eigenfrequenzen der ersten Schwingungsstäbe und der zweiten Schwingungsstäbe sind ebenso unterschiedlich zueinander, wobei aber, da die Z-Richtung-Schwingung eine gekoppelte Schwingung der ersten Schwingungsstäbe und der zweiten Schwingungsstäbe ist, eine gekoppelte Eigenfrequenz f_Z existiert. Die gekoppelte Schwingung ist bezüglich der X-Richtung-Schwingung klein, da die Übertragungsrate einer Schwingung zwischen den ersten Schwingungsstäben und den zweiten Schwingungsstäben sehr niedrig ist. Die Anordnung, bei der die ersten Schwingungsstäbe und die zweiten Schwingungsstäbe bezüglich der X-Richtung-Schwingung nicht gekoppelt sind, während die ersten Schwingungsstäbe und die zweiten Schwingungsstäbe bezüglich der Z-Richtung-Schwingung auf diese Weise gekoppelt sind, ist in der Form begründet, bei der die Gesamtheit der Schwingungseinrichtung 10 integral aus dem sehr dünnen Quarzsubstrat hergestellt ist und bei der die Y-Richtung-Breite der Schwingungseinrichtungsbasis 11 in ausreichendem Maße breiter als die Dicke des Quarzsubstrats ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine derartige Einstellung bewirkt, dass die Werte der X-Richtung-Eigenfrequenz f_X1 der ersten Schwingungsstäbe 12, 13 und die gekoppelte Eigenfrequenz f_Z sehr nahe beieinander liegen.
Jeder Schwingungsstab ist mit Elektroden entsprechend einem zugehörigen Zweck versehen. Genauer gesagt sind die ersten Schwingungsstäbe 12 und 13 mit Elektroden zur Anregung versehen, während die zweiten Schwingungsstäbe 14 und 15 mit Elektroden zur Erfassung versehen sind. Die Anordnung von Elektroden ist in 1A weggelassen, um eine mikroskopische Darstellung der Zeichnung zu vermeiden, wobei sie aber stattdessen unter Verwendung der 1B und 1C veranschaulicht ist. In den 1B und 1C sind eine Querschnittsdarstellung entlang B-B bzw. eine Querschnittsdarstellung entlang C-C gemäß 1A gezeigt. Wie es veranschaulicht ist, ist der erste Schwingungsstab 13 mit Elektroden 21 bis 24 jeweils auf den vier Seiten, der Oberseite, der Unterseite und den seitlichen Seiten versehen, die sich von dem Verbindungsteil mit der Schwingungseinrichtungsbasis 11 hin zu der Spitze des ersten Schwingungsstabs 13, d.h. in die Richtung von +Y und über eine Länge von näherungsweise 2/3 bis 3/4 der Gesamtlänge des Schwingungsstabs erstrecken. Der erste Schwingungsstab 12 ist ebenso auf ähnliche Weise mit Elektroden 31 bis 34 versehen (siehe 3). Demgegenüber ist der zweite Schwingungsstab 15 mit vier Elektroden 25 bis 28 zur Abdeckung der vier Ecken des rechteckigen Querschnitts, d.h. der Kanten versehen, die sich von dem Verbindungsteil mit der Schwingungseinrichtungsbasis 11 hin zu der Spitze des zweiten Schwingungsstabs 15, d.h. in die Richtung von –Y und über eine Länge von näherungsweise 2/3 bis 3/4 der Gesamtlänge des Schwingungsstabs erstrecken. Der zweite Schwingungsstab 14 ist ebenso auf ähnliche Weise mit Elektroden 35 bis 38 versehen (siehe 3).
Jede Elektrode weist einen Doppelschichtaufbau aus Chrom und Gold auf, der durch Aufdampfen dieser Metalle auf die Oberfläche einer Schwingungseinrichtung 10 und ein nachfolgendes geeignetes Aufteilen und Mustern der Schichten in die gewünschte Form durch ein photolithographisches Verfahren erhalten wird. Jede Elektrode ist elektrisch mit einem von Verbindungsfeldern bzw. Bonding-Feldern 81 bis 84, die auf der festen Platte 17 bereitgestellt sind, verbunden und ist ferner von dort mit einer Signalverarbeitungsschaltung verbunden, die nachstehend beschrieben ist. Ein Draht bzw. eine Leitung zwischen jeder Elektrode auf dem Schwingungsstab und dem Verbindungsfeld wird auf der Oberfläche der Trägerstange 16 durch ein Schichtbildungsverfahren hergestellt, obwohl dies nicht veranschaulicht ist.
Die 2A und 2B umfassen Figuren, um den Zustand zu zeigen, bei dem die Schwingungseinrichtung 10 auf einem vierschichtigen, metallisierten Substrat 100 angebracht ist und bei dem sie durch einen Metalldeckel 110 abgedichtet ist. In 2A ist eine Draufsicht gezeigt und in 2B ist eine Seitenansicht gezeigt.
Das metallisierte Substrat ist ein mehrschichtiges Leitungssubstrat aus Keramik, das auf übliche Weise hergestellt wird, indem die Leitungen, Verbindungsfelder usw. mit Metall aus Wolfram, Molybdän oder dergleichen auf einen Grünling aus 90% SiO₂ (Rohzustand) gedruckt werden, derartige Grünlinge in mehreren Schichten gestapelt werden, der Stapel dann gepresst wird, er daraufhin getrocknet wird und gebacken wird. Die Leitungen der jeweiligen Schichten werden durch Verbindungslöcher, die als Durchgangslöcher bezeichnet werden, verbunden. Dieses metallisierte Substrat ist im Rohzustand (in dem Zustand eines Grünlings) einfach auszuhöhlen, wobei es somit einfach ist, ein Substrat mit einer Oberfläche, die Stufen aufweist, herzustellen. Da jede Schicht einer Pressaktion und einem Backen unterzogen wird und da die Durchgangslöcher mit dem Metall aus Wolfram, Molybdän oder dergleichen gefüllt werden, wird zwischen den Schichten eine vollständige Luftdichtheit beibehalten. Ferner kann, da ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Wolfram oder Molybdän, für die Leitungen verwendet wird, eine Vielzahl von angebrachten Bauelementen mit hohen Temperaturen gelötet werden, ohne diese Leitungen zu beeinflussen.
Das metallisierte Substrat 100 ist in dem vierschichtigen Aufbau ausgebildet, wobei Schaltungselemente 111, 112 zur Ausführung einer Anregung, einer Erfassung einer Schwingung und einer Berechnung einer Winkelgeschwindigkeit oder dergleichen auf der Rückseitenoberfläche der ersten Schicht 101, die die unterste Schicht ist, ausgebildet werden. Eine zweite Schicht 102, eine dritte Schicht 103 und eine vierte Schicht 104 werden in dieser Reihenfolge auf die erste Schicht 101 gestapelt. Jede der zweiten Schicht 102, der dritten Schicht 103 und der vierten Schicht 104 ist in einer rechteckigen Form bei dem zugehörigen Mittelabschnitt ausgehöhlt und Längen von zugehörigen Öffnungen bzw. Durchbrüchen in der longitudinalen Richtung (in der horizontalen Richtung gemäß 2A und 2B) werden bestimmt, um in dieser Reihenfolge länger zu sein. Wie es gezeigt ist, sind die rechten Seiten der Schichten ausgerichtet, wodurch die linken Seiten abgestuft sind.
Die feste Platte 17 der Schwingungseinrichtung 10 wird durch ein Schweißen bzw. Löten an die zweite Schicht 102 bei dem abgestuften Abschnitt dieses metallisierten Substrats 100 angeschweißt und befestigt, wobei die Verbindungsfelder 131 bis 134 bei der Oberfläche der dritten Schicht 103 bereitgestellt sind. Die Verbindungsfelder 131 bis 134 sind jeweils über die Leitungen und Durchgangslöcher der jeweiligen Schichten, nicht veranschaulicht, mit den Schaltungselementen 111 und 112 verbunden. Da die feste Platte 17 der Schwingungseinrichtung 10 auf die zweite Schicht 102 geschweißt ist, können die Schwingungsstäbe 12 bis 15 in einem schwebenden Zustand zu der ersten Schicht 101 gehalten werden. Da die Verbindungsfelder 131 bis 134 auf der Seite des metallisierten Substrats 100 nicht auf der zweiten Schicht 102 bereitgestellt sind, sondern auf der dritten Schicht 103 bereitgestellt sind, wird eine Stufendifferenz von den Verbindungsfeldern 81 bis 84 der Schwingungseinrichtung 10 entschärft, was die Verbindungsarbeit von Verbindungsleitungen bzw. Bonding-Leitungen 121 bis 124 erleichtert.
Der untere Rand des Metalldeckels 110 ist mit der vierten Schicht 104 über den gesamten zugehörigen Umfang mit einem Dichtungsharz verbunden. Das Verbinden mit dem Dichtungsharz kann durch ein Verbinden mittels Lötens, wie beispielsweise eines Hartlötens, ersetzt werden. Dies schließt den Raum, der die Schwingungseinrichtung 10 beinhaltet, vollständig vor der Außenseite ab. Dieser interne Raum wird zu einem Vakuum evakuiert, so dass kein Verlust von Schwingungsenergie der Schwingungseinrichtung 10 durch Luft verursacht wird.
Die Gesamtheit der oberen Oberfläche 140 der ersten Schicht 101 ist durch eine Metallschicht abgedeckt, wobei diese Metallschicht durch die Durchgangslöcher mit dem Metalldeckel 110 elektrisch verbunden ist. Dementsprechend ist der größte Teil des Raums, der die Schwingungseinrichtung beinhaltet, durch das Potenzialausgleichsmetall abgedeckt, wodurch er elektromagnetisch abgeschirmt ist. Operationsverstärker werden bei der Erfassungsschaltung usw., die nachstehend beschrieben ist, verwendet, wobei hierdurch eine Verstärkung mit hoher Verstärkungsrate ausgeführt wird. Im Allgemeinen weisen Verstärker mit hoher Verstärkungsrate Schwächen gegenüber einem elektromagnetischen Rauschen auf, und es ist insbesondere erforderlich zu verhindern, dass Rauschen von dem Vorrichtungsabschnitt, der das zugehörige Eingangsende ist, hier eindringt. Die elektromagnetische Abschirmung ist bei einer derartigen Verhinderung eines Rauscheindringens effektiv. Wechselseitig gegenüberliegende Elektroden unter den Elektroden, die bei jedem Schwingungsstab bereitgestellt sind, bilden einen Kondensator und die Winkelgeschwindigkeit wird aus einer Änderung in einer zugehörigen Ladungsgröße berechnet, wie es nachstehend beschrieben ist. Da die Ladungsgröße durch das elektromagnetische Rauschen von außen beeinflusst wird, ist die elektromagnetische Abschirmung, die die Schwingungseinrichtung 10 umgibt, ebenso effektiv, einen entsprechenden Einfluss zu unterdrücken. Wenn eine Verdrahtung auf der Oberfläche 140 der ersten Schicht 101 ausgeführt wird, wird die Metallschicht für die elektromagnetische Abschirmung bis auf die Verdrahtungsabschnitte abgesetzt, um einen Kontakt mit der Verdrahtung zu vermeiden.
Nachstehend sind Verarbeitungsschaltungen zur Ausführung einer Anregung, einer Erfassung und einer Berechnung einer Winkelgeschwindigkeit beschrieben, die bei den Schaltungselementen 111 und 112 angebracht sind. In 3 ist ein Blockschaltbild gezeigt, um eine Anregungsschaltung 50, eine Erfassungsschaltung 60 und eine Winkelgeschwindigkeits-Berechnungsschaltung 70 zu zeigen und um die Verbindungsbeziehung zwischen diesen Schaltungen und den Elektroden 21 bis 28 und 31 bis 38, die auf den Schwingungsstäben 12 bis 15 bereitgestellt sind, zu zeigen. In den 4A und 4B sind Diagramme zur Beschreibung des inversen piezoelektrischen Effekts in den ersten Schwingungsstäben 12 und 13 gezeigt und in den 5A und 5B sind Diagramme zur Beschreibung des piezoelektrischen Effekts in den zweiten Schwingungsstäben 14 und 15 gezeigt.
Die Anregungsschaltung 50 weist eine Strom-Spannung-Umwandlungsschaltung 51, eine automatische Verstärkungsregelungsschaltung 52 und eine Ansteuerungsschaltung 53 auf und die Erfassungsschaltung 60 weist Strom-Spannung-Umwandlungsschaltungen 61 und 62, einen Differentialverstärker 63 und eine Synchronerfassungsschaltung 64 auf.
Die Ansteuerungsschaltung 53 ist eine Schaltung zur Ausgabe einer Impulswelle als ein Anregungssignal, das eine Amplitude entsprechend einem Ausgangsspannungswert der automatischen Verstärkungsregelungsschaltung 52 und die vorbestimmten Wiederholungszyklen aufweist, und auch zur Ausgabe eines Signals mit einer Phasenverschiebung von 90° zu dem Ausgangssignal als ein Erfassungssignal für die Synchronerfassungsschaltung 64, wobei der zugehörige Ausgangsanschluss gemeinsam mit den Elektroden 22, 24 auf den Seitenflächen des ersten Schwingungsstabs 13 und den Elektroden 31, 33 bei den Ober- und Unterseiten des ersten Schwingungsstabs 12 über einen Anschluss 56 verbunden ist. Die verbleibenden Elektroden 21, 23, 32, 34 auf den ersten Schwingungsstäben 12 und 13 sind gemeinsam mit dem Eingangsanschluss der Strom-Spannung-Umwandlungsschaltung 51 über einen Anschluss 55 verbunden, um bei einem Zwischenpotenzial des Impulswellenausgangssignals von der Ansteuerungsschaltung 53 fixiert zu sein.
Die 4A und 4B dienen zur Beschreibung der Anregungsoperation der ersten Schwingungsstäbe durch diese Anregungsschaltung 50, wobei in 4A eine Querschnittsdarstellung gezeigt ist, die durch ein Aufschneiden des ersten Schwingungsstabs 13 durch die ZX-Ebene erhalten wird, was eine mit 1B vergleichbare Figur ergibt. In 4B ist eine perspektivische Darstellung gezeigt, um die Biegungsaktion des ersten Schwingungsstabs 13 zu zeigen. Wie es vorstehend beschrieben ist, werden, da die Elektroden 21 und 23 gemeinsam mit dem Anschluss 55 verbunden sind und die Elektroden 22 und 24 gemeinsam mit dem Anschluss 56 verbunden sind, wenn ein Ausgangsimpuls der Ansteuerungsschaltung 53 einen niedrigen Pegel aufweist, die Spannungen, wie sie in 4A gezeigt sind, an die jeweiligen Elektroden angelegt, d.h. eine relativ negative Spannung wird an die Elektroden 22 und 24 angelegt, während eine positive Spannung an die Elektroden 21 und 23 angelegt wird. Wenn der Ausgangsimpuls von der Ansteuerungsschaltung 53 einen hohen Pegel aufweist, werden hierzu entgegengesetzte Polaritäten angelegt.
Nun wird in Anbetracht des Zustands, bei dem die Spannungen angelegt sind, wie es in 4A gezeigt ist, das elektrische Feld, wie es durch Pfeile 91 bis 94 angezeigt ist, innerhalb des Schwingungsstabs 13 erzeugt. Demgegenüber ist, da der piezoelektrische Effekt von Quarz in den Z-Achsen-Richtungen nicht auftritt, das effektive elektrische Feld zur Beeinflussung des piezoelektrischen Effekts dasjenige, das durch Pfeile 95 und 96 angezeigt ist. Aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts dehnt sich der Quarzkristall in die Y-Achsen-Richtungen bei einem Anlegen des elektrischen Felds in der positiven Richtung der X-Achse aus, während er sich in den Y-Achsen-Richtungen. bei einem Anlegen des elektrischen Felds in der negativen Richtung der X-Achse zusammenzieht bzw. kontrahiert.
Dementsprechend zieht sich in dem Zustand gemäß 4A die Seite der Elektrode 24 des Schwingungsstabs 13 zusammen, während sich die Seite der Elektrode 22 ausdehnt, wodurch sich der Schwingungsstab 13 mit der Elektrode 24 innen biegt. Mit einer Umkehrung der Polaritäten der an die Elektroden 21 bis 24 angelegten Spannungen biegt sich der Schwingungsstab 13 mit der Elektrode 22 innen aufgrund des gleichen Prinzips. Folglich schwingt, wenn ein Impulssignal einer vorbestimmten Frequenz von der Ansteuerungsschaltung 53 den Elektroden 22, 24 zugeführt wird, wobei ein Ende des Schwingungsstabs 13 befestigt ist, der Schwingungsstab 13 in die X-Richtungen, wie es in 4B gezeigt ist.
Da das vorliegende Ausführungsbeispiel so eingerichtet ist, dass die oberen und unteren Elektroden 21 und 23 des Schwingungsstabs 13 und die linken und rechten Elektroden 32 und 34 des Schwingungsstabs 12 gemeinsam verbunden sind und die linken und rechten Elektroden 22 und 24 des Schwingungsstabs 13 und die oberen und unteren Elektroden 31 und 33 des Schwingungsstabs 12 gemeinsam verbunden sind, wie es in 3 gezeigt ist, schwingen die Schwingungsstäbe 12 und 13 in wechselseitig entgegengesetzten Phasen in den X-Richtungen.
X-Richtung-Schwingungsinformationen der ersten Schwingungsstäbe 12 und 13 werden über die Strom-Spannung-Umwandlungsschaltung 51 und die automatische Verstärkungsregelungsschaltung 52 und die automatische Verstärkungsregelungsschaltung 52 zurückgeführt. Die Strom-Spannung-Umwandlungsschaltung 51 ist eine Schaltung zur Umwandlung einer Änderungsgröße einer Ladung, die in den Elektroden 21, 23, 32, 34 durch den piezoelektrischen Effekt bei einem Biegen der ersten Schwingungsstäbe 12 und 13 erzeugt wird, in einen Spannungswert.
Die automatische Verstärkungsregelungsschaltung 52 empfängt das Spannungssignal, das von der Strom-Spannung- Umwandlungsschaltung 51 ausgegeben wird, und arbeitet so, dass ein zugehöriger Ausgangsspannungswert bei einer Vergrößerung eines zugehörigen Eingangsspannungswerts verkleinert wird und der Ausgangsspannungswert bei einer Verkleinerung des Eingangsspannungswerts vergrößert wird. Somit vergrößert sich, wenn sich die Amplitude einer Schwingung der ersten Schwingungsstäbe 12 und 13 vergrößert, auch die Ladung, die in den Elektroden 21, 23, 32, 34 erzeugt wird, wodurch sich die Ausgangsspannung der Strom-Spannung-Umwandlungsschaltung 51 ebenso vergrößert. Dies verkleinert den Ausgangsspannungswert der automatischen Verstärkungsregelungsschaltung 52, so dass die Amplitude des Ausgangsimpulses von der Ansteuerungsschaltung 53 kleiner wird. Auf diese Weise wird die Amplitude des Impulssignals, das von der Ansteuerungsschaltung 53 ausgegeben wird, einer Regelung unterzogen, und die Amplitude einer Schwingung der ersten Schwingungsstäbe 12 und 13 wird immer stabil gehalten.
Nachstehend ist die Erfassungsschaltung 60 zur Erfassung der Z-Richtung-Schwingung der zweiten Schwingungsstäbe, wie sie in den 5A und 5B gezeigt sind, beschrieben. Wenn der zweite Schwingungsstab 15 in den Z-Richtungen schwingt und sich in die Richtung von +Z biegt, wie es in 5B gezeigt ist, zieht sich die obere Hälfte des Schwingungsstabs 15 in der Y-Richtung zusammen, während sich die untere Hälfte in der Y-Richtung ausdehnt. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts von Quarz tritt eine dielektrische Polarisation in der X-Richtung mit einer Y-Richtung-Kontraktion auf, während eine entgegengesetzte dielektrische Polarisation in der X-Richtung mit einer Y-Richtung-Ausdehnung auftritt. Da eine Stärke einer dielektrischen Polarisation von der Größe einer Ausdehnung oder einer Kontraktion abhängt, erscheint die Polarisation in der oberen Oberfläche oder in der unteren Oberfläche stark, wobei sie zu dem Zwischenabschnitt hin schwächer wird.
Dementsprechend erscheint die dielektrische Polarisation bei den vier Ecken des Schwingungsstabs 15 konzentriert, so dass diese dielektrische Polarisation ein Sammeln der positiven oder negativen Ladung zur Folge hat, wie es bei jeder Elektrode 25 bis 28 veranschaulicht ist, die bei der Ecke bereitgestellt ist. Die Elektroden 25 und 27 weisen nämlich die gleiche Polarität auf, wobei die Polarität von diesen entgegengesetzt zu der der Elektroden 26 und 28 wird. Wenn der Schwingungsstab 15 nach unten gebogen wird, erscheinen auf der Grundlage des gleichen Prinzips die entgegengesetzten Polaritäten zu denjenigen, die vorstehend beschrieben sind.
Die Erfassungsschaltung 60 erfasst eine Änderungsgröße einer Ladung in jeder Elektrode des Schwingungsstabs 15, die wie vorstehend beschrieben erzeugt wird, und gibt ein Signal aus, das der Schwingungsamplitude des zweiten Schwingungsstabs entspricht. Da das vorliegende Ausführungsbeispiel so eingerichtet ist, dass die ersten Schwingungsstäbe 12, 13 in wechselseitig entgegengesetzten Phasen in den X-Richtungen angeregt werden und dass die ersten Schwingungsstäbe und die zweiten Schwingungsstäbe in wechselseitig entgegengesetzten Phasen in den Z-Richtungen in Schwingung versetzt werden, schwingen die zweiten Schwingungsstäbe 14 und 15 in wechselseitig entgegengesetzten Phasen in den Z-Richtungen. Diese Z-Richtung-Schwingung der zweiten Schwingungsstäbe 14, 15 ist eine kombinierte Schwingung einer Ableitungskomponente bzw. Verlustkomponente, wobei die X-Richtung-Anregungsschwingung der ersten Schwingungsstäbe 12, 13 als eine Z-Richtung-Schwingung mit einer Komponente, die auf der Grundlage der Coriolis-Kraft erzeugt wird, die mit einer Drehung der Schwingungseinrichtung 10 auftritt, abgeleitet wird, aber die Phasen einer Schwingung der zweiten Schwingungsstäbe 14 und 15 in jedem Fall entgegengesetzt zueinander werden. Die Einzelheiten eines Erzeugungsmechanismus der Z-Richtung-Schwingung auf der Grundlage der Coriolis-Kraft ist nachstehend beschrieben, aber die Schwingung mit entgegengesetzter Phase der linken und rechten Schwingungsstäbe wird in den Z-Richtungen auf jeden Fall erzeugt. Somit sind, wie es in 3 gezeigt ist, die Elektroden 25 und 28 des zweiten Schwingungsstabs 15 und die Elektroden 36 und 37 des zweiten Schwingungsstabs 14, die bei ebenen symmetrischen Positionen dazwischen angeordnet sind, gemeinsam verbunden, um weiter mit dem Anschluss 65 der Erfassungsschaltung 60 verbunden zu werden. Die verbleibenden Elektroden 26, 27, 35, 38 sind gemeinsam mit dem Anschluss 66 der Erfassungsschaltung 60 verbunden.
Die Strom-Spannung-Umwandlungsschaltung 61 ist eine Schaltung zur Verstärkung der Änderungsgröße einer Ladung in den Elektroden 25, 28, 36, 37, um sie in einen Spannungswert umzuwandeln, und die Strom-Spannung-Umwandlungsschaltung 62 ist eine Schaltung zur Verstärkung der Änderungsgröße einer Ladung in den Elektroden 26, 27, 35, 38, um sie in einen Spannungswert umzuwandeln. Der Differentialverstärker 63 ist eine Schaltung zum Empfangen der Ausgangssignale der jeweiligen Strom-Spannung-Umwandlungsschaltungen 61 und 62 und zur Verstärkung einer Potenzialdifferenz zwischen den zwei Signalen, wobei eine Änderung in der Amplitude dieses Ausgangssignals proportional zu einer Änderung in der Amplitude einer Schwingung der zweiten Schwingungsstäbe 14 und 15 ist.
Die Synchronerfassungsschaltung 64 ist eine Schaltung zur Ausführung einer synchronen Erfassung des wechselnden Spannungssignals, das von dem Differentialverstärker 63 ausgegeben wird, wobei als ein Erfassungssignal das Impulssignal mit einer Phasenverschiebung von 90° in Bezug auf das Anregungssignal von der Ansteuerungsschaltung 53 verwendet wird, und anschließend zur Ausführung einer Integrationsverarbeitung, die eine Schaltung ist, die durch ein Hinzufügen einer Integrationsschaltung zu einer normalen Synchronerfassungsschaltung erhalten wird. Da die Z-Richtung-Schwingung aufgrund einer Ableitung einer X-Anregung in der gleichen Phase wie die Anregung ist und die Z-Richtung-Schwingung aufgrund der Coriolis-Kraft die Phasenverschiebung von 90° in Bezug auf die Anregung aufweist, resultiert die synchrone Erfassung und die Integration darin, die Erstgenannte immer Null zu machen und die Letztgenannte zu einem Integrationswert einer Zweiweg-Gleichrichtung zu machen. Die Spannung des Ausgangssignals von der Synchronerfassungsschaltung 64 gibt nämlich die Amplitude der Z-Richtung-Schwingung der zweiten Schwingungsstäbe 14 und 15 aufgrund der Coriolis-Kraft an.
Die Winkelgeschwindigkeitsberechnungsschaltung 70 ist eine Schaltung zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit einer Drehung um eine Achse, die parallel zu der Y-Achse der Schwingungseinrichtung 10 ist, aus der Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit und der Coriolis-Kraft, wie es vorstehend beschrieben ist, auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Erfassungsschaltung 60, das die Amplitude einer Schwingung der zweiten Schwingungsstäbe 14 und 15 angibt.
Nachstehend ist die Operation der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung beschrieben, die wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist. Die Anregungsschaltung 50 gibt das Anregungssignal der Frequenz aus, die mit der X-Richtung-Eigenfrequenz f_X1 (die als erste Eigenfrequenz bezeichnet wird) der ersten Schwingungsstäbe 12, 13 übereinstimmt, von der Ansteuerungsschaltung 53 aus. Diese versetzt die ersten Schwingungsstäbe 12, 13 bei der Eigenfrequenz f_X1 in den X-Richtungen durch den inversen piezoelektrischen Effekt in Schwingung. Die Phasen des Schwingungsstabs 12 und des Schwingungsstabs 13 sind zueinander entgegengesetzt, wie es vorstehend beschrieben ist.
Wenn sich in diesem Zustand die Schwingungseinrichtung 10 mit der Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse dreht, die parallel zu der Y-Achse (einschließlich der Y-Achse) ist, wird die Coriolis-Kraft F, die durch F = 2mV·ω ausgedrückt wird, in der Z-Richtung in den ersten Schwingungsstäben 12, 13 erzeugt. Hierbei ist m die Masse eines Schwingungsstabs und V ist die Schwingungsgeschwindigkeit. Diese Erzeugung der Coriolis-Kraft veranlasst die ersten Schwingungsstäbe 12, 13, in den Z-Richtungen mit der Phasenverschiebung von 90° in Bezug auf die X-Richtung-Schwingung zu schwingen. Die ersten Schwingungsstäbe 12, 13 schwingen nämlich auch bei der Anregungsfrequenz (die erste Eigenfrequenz) und in wechselseitig entgegengesetzten Phasen in den Z-Richtungen. Da diese Frequenz mit der gekoppelten Eigenfrequenz der ersten und zweiten Schwingungsstäbe in den Z-Richtungen beinahe übereinstimmt, wird die Schwingung auf effektive Weise zu den zweiten Schwingungsstäben 14, 15 übertragen.
Demgegenüber wird die X-Richtung-Anregung, die an die ersten Schwingungsstäben 12, 13 gegeben wird, als Z-Richtung-Schwingung der gleichen Phase abgeleitet, wobei diese Schwingung ebenso zu den zweiten Schwingungsstäben 14, 15 durch eine Kopplung übertragen wird. Die Schwingungsenergie der Ableitungsschwingung ist viel größer als die der Schwingung aufgrund der Coriolis-Kraft, die Z-Richtung-Schwingung des zweiten Schwingungsstabs ist eine Überlagerung der Schwingung aufgrund der Coriolis-Kraft mit der Phasenverschiebung von 90° auf die Ableitungsschwingung. Lediglich die Schwingung aufgrund der Coriolis-Kraft wird von der Z-Richtung-Schwingung der zweiten Schwingungsstäbe durch die Erfassungsschaltung 60 selektiv erfasst, wie es vorstehend beschrieben ist.
Im Übrigen tritt gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Schwingung in entgegengesetzten Phasen bei der horizontalen Richtungsposition (bei der X-Richtung-Position) und in entgegengesetzten Phasen bei der vertikalen Richtungsposition (bei der Y-Richtung-Position) wie bei der Z-Richtung-Schwingung auf. Bei dieser Schwingungsbetriebsart wird eine Schwingungskraft in der gleichen Phase wie die Anregung um die Drehmitte der Y-Achse, die durch die Trägerstange 16 hindurchgeht, an die Schwingungseinrichtungsbasis 11 angelegt. Um diesem zu begegnen, wird die Drehsteifigkeit der Trägerstange 16 so eingestellt, dass sie eine angemessene Flexibilität gegenüber einer Drehkraft aufweist, was die Ableitung einer Schwingungsenergie verhindert sowie die Schwingungskraft, die auf die Schwingungsbasis 11 wirkt, abpuffert. Die Drehsteifigkeit wird auch Verdrillungssteifigkeit genannt, die durch ein Verhältnis eines Torsionsmoments und eines Torsionswinkels bei einer Torsion bzw. Verdrehung eines Stabs gegeben ist und die durch die Form und Steifigkeit des Stabs bestimmt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Drehsteifigkeit durch ein Einstellen der Länge der Trägerstange 16 eingestellt werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Länge der Trägerstange 16 länger als die der zweiten Schwingungsstäbe 14, 15, wodurch der Drehsteifigkeit Flexibilität verliehen wird.
Es kann gefolgert werden, dass, wenn Trägheitsmomente der ersten und zweiten Schwingungsstäbe, die koaxial gepaart sind, miteinander übereinstimmen, keine Schwingungsenergie bei der Schwingungseinrichtungsbasis 11 auftritt. Es ist jedoch in der Praxis schwierig, die zugehörigen Trägheitsmomente aufgrund verschiedener Bedingungen genau miteinander übereinstimmend zu machen, und es ist somit nicht einfach, die Energie einer Schwingung bei der Schwingungseinrichtungsbasis 11 vollständig auf Null zu unterdrücken. Es ist somit wünschenswert, die Drehsteifigkeit der Trägerstange 16 so zu berücksichtigen, dass auch die Übereinstimmung der Trägheitsmomente der ersten und zweiten Schwingungsstäbe berücksichtigt wird.
Da die Schwingungseinrichtungsbasis 11 bei einer Position mit der Trägerstange 16 verbunden ist, wird keine Beanspruchung von der Trägerstange 16 an die Schwingungseinrichtungsbasis 11 auch bei einer Ausdehnung oder Kontraktion eines jeweiligen Elements der Schwingungseinrichtung aufgrund der Änderung der Umgebungstemperatur angelegt. Dementsprechend ist eine Ableitungsgröße der Schwingung, die über die Schwingungseinrichtungsbasis 11 zu der Trägerstange 16 übertragen wird, von einem Einfluss der Temperaturänderung befreit.
Im Übrigen wird, da die Anregungsschaltung 50 die ersten Schwingungsstäbe 12, 13 in wechselseitig entgegengesetzten Phasen in den X-Richtungen anregt und in Schwingung versetzt, ein Beanspruchungskonzentrationsabschnitt 150 zwischen den zwei ersten Schwingungsstäben in der Schwingungseinrichtungsbasis 11 auf der Seite der ersten Schwingungsstäbe 12, 13 hergestellt (siehe 1A). Unter der Annahme, dass die Trägerstange 16 in die Richtung von –Y von dem Beanspruchungskonzentrationsabschnitt 150 herausragen soll, würde eine X-Richtung-Positionsabweichung der Trägerstange 16 eine horizontale (in X-Richtung) Schwingungskraft in der Trägerstange 16 erzeugen. Wenn diese Kraft die Trägerstange 16 horizontal in Schwingung versetzt, erscheint eine Differenz zwischen Amplituden einer Schwingung der ersten Schwingungsstäbe 12 und 13, was die Erfassungsgenauigkeit vermindert. Wenn angenommen wird, dass die Trägerstange 16 von dem Beanspruchungskonzentrationsabschnitt 150 herausragt, würde der Beanspruchungskonzentrationsabschnitt 150 in die Trägerstange 16 ausgedehnt werden, um einen unnötig beanspruchungsverteilten Abschnitt zu erzeugen, was die Übertragungseffektivität zwischen den linken und rechten Schwingungsstäben vermindern würde, wobei somit der Q-Wert verringert würde. Ferner wird die Schwingungsableitung reguliert, indem dem Trägerstab 16 Flexibilität verliehen wird, aber die Schwingungsableitung kann nicht perfekt unterdrückt werden und eine Ableitung tritt, wenn auch nur wenig, auf. Wenn der Beanspruchungskonzentrationsabschnitt 150 mit der Trägerstange 16 verbunden ist, wird eine Größe dieser Ableitung durch die Beanspruchung aufgrund einer Anregung beeinflusst, was die Erfassungsgenauigkeit instabil macht.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist jedoch frei von der vorstehend beschriebenen Schwierigkeit, da die Trägerstange 16 auf der Seite der zweiten Schwingungsstäbe 14, 16 der Schwingungseinrichtungsbasis 11 bereitgestellt ist, wodurch der Beanspruchungskonzentrationsabschnitt 150 und die Trägerstange 16 somit voneinander getrennt sind.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die zweiten Schwingungsstäbe 14, 15 schlanker und länger als die ersten Schwingungsstäbe 12, 13, wobei aber umgekehrt die ersten Schwingungsstäbe 12, 13, die angeregt werden, um in den X- Richtungen zu schwingen, schlanker und länger als die zweiten Schwingungsstäbe 14, 15 aufgebaut sein können. In diesem Fall werden die Elektroden zur Erfassung 25 bis 28, 35 bis 38, die auf den zweiten Schwingungsstäben 14, 15 bereitgestellt worden sind, wünschenswerter Weise auf den ersten Schwingungsstäben 12, 13 bereitgestellt.
In 6 ist eine Draufsicht gezeigt, um ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schwingungseinrichtung zu zeigen. Diese Schwingungseinrichtung 200 ist dadurch charakterisiert, dass die Trägerstange 201 mit einem verengten Abschnitt 202 versehen ist. Es ist bereits beschrieben worden, dass die Leitungen zur Verbindung der auf den Schwingungsstäben 12 bis 15 bereitgestellten Elektroden mit den externen Verarbeitungsschaltungen auf der Trägerstange angeordnet sind. Diese Leitungen sind wünschenswerter Weise so dick wie möglich, um die Impedanz zu verkleinern, und sind weiter voneinander getrennt, um eine Nebensprechbeeinflussung zu verringern. Unter Berücksichtung dieses Standpunkts ist die Breite der Trägerstange vorzugsweise so breit wie möglich. Eine einfache Ausdehnung der Breite ergibt jedoch eine Vergrößerung der Drehsteifigkeit, wobei eine Verringerung des Q-Werts verursacht wird. Durch Verwenden einer derartigen Anordnung, dass die Trägerstange 201 die breite Breite als ein Ganzes aufweist und mit dem verengten Abschnitt 202 versehen ist, wie es in 6 gezeigt ist, kann ein Nebensprechen zwischen den Leitungen so weit wie möglich unterdrückt werden, während die Flexibilität der Drehsteifigkeit aufrecht erhalten wird. Wenn die Schwingungseinrichtung 200 unter Verwendung derselben Z-Platte aus Quarz wie die Schwingungseinrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt wird und wenn sie die Schwingungseinrichtungsbasis und die Schwingungsstäbe in den gleichen Richtungen ausgebildet aufweist, kann die Schwingungseinrichtung 200, die die Trägerstange 201 mit dem verengten Abschnitt 202 aufweist, der bei etwa 30° in Bezug auf die X-Richtung eingekerbt ist, wie es gezeigt ist, auf einer sehr stabilen Grundlage hergestellt werden. Dies ergibt sich aus der Beziehung zwischen den kristallographischen Ausrichtungen und den Ätzrichtungen.
Die feste Platte 17 dieser Schwingungseinrichtung 200 ist mit Durchgangslöchern 203 und 204 versehen, wobei ein Metall auf die Seitenwände dieser Durchgangslöcher 203 und 204 aufgedampft wird. Sie können auf effektive Weise als Leitung zwischen den Ober- und Unterseiten der Schwingungseinrichtung verwendet werden.
Eine Vielzahl von Modifikationen kann bezüglich einer Unterbringung der Schwingungseinrichtung 10 in ein Gehäuse in Erwägung gezogen werden. Beispielsweise sind die Verbindungsflächen 81 bis 84 der Schwingungseinrichtung 10 und die Verbindungsflächen 131 bis 134 des metallisierten Substrats 100 durch die Verbindungsleitungen bzw. Verbindungsdrähte 121 bis 124 verbunden worden, wobei sie aber stattdessen verbunden werden können, indem die Verbindungsflächen 81 bis 84 der Schwingungseinrichtung 10 auf der Rückseite der festen Platte 17 bereitgestellt werden und durch ein Schweißen der festen Platte 17 an das metallisierte Substrat 100 gleichzeitig ein Die-Bonding der Verbindungsfelder 81 bis 84 an die Verbindungsfelder 131 bis 134 des metallisierten Substrats 100 bewirkt wird. Die Schaltungsbauelemente 111, 112 sind auf der Rückseite der ersten Schicht 101 des metallisierten Substrats 100 bereitgestellt worden, um die Gesamtfläche klein zu halten, wobei sie aber so angeordnet werden können, dass die Fläche der ersten Schicht 101 außerhalb des abgedichteten Raums ausgedehnt wird und dass die Schaltungsbauelemente bei der zugehörigen oberen Oberfläche angebracht werden. Ein Ersetzen des Deckels 110 durch einen flachen Deckel kann die Kosten verringern. Der Deckel 110 ist aus einem Metallmaterial für eine elektromagnetische Abschirmung hergestellt worden, wobei aber stattdessen ein isolierendes Material, wie beispielsweise Keramik, verwendet werden kann, während eine Metallschicht über der gesamten Oberfläche durch eine Aufdampfung oder dergleichen ausgebildet wird. Ferner ist die Schwingungseinrichtung 10 in dem schwebenden Zustand von der ersten Schicht 101 unter Verwendung der Dicke der zweiten Schicht 102 gehalten worden, wobei aber stattdessen die Schwingungseinrichtung 10 von der ersten Schicht 101 getrennt werden kann, indem eine herausragende Oberfläche durch ein Leitungsmuster der ersten Schicht gebildet wird und die feste Platte 17 darauf geschweißt wird.
Die Schwingungseinrichtung 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine, die durch ein Mustern der Z-Platte aus Quarz erhalten wird, wobei aber andere piezoelektrische Materialien, beispielsweise andere piezoelektrische Materialien wie Blei, Zirkonat, Titanat (PZT) oder Lithium-Niobat, verwendet werden können. Ferner kann die Schwingungseinrichtung 10 durch eine einfache Schwingungseinrichtung aus Edelstahl oder dergleichen ersetzt werden, die durch eine elektrostriktive Einrichtung anstelle der Elektroden in Schwingung versetzt wird.
Bei der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann, da die Drehsteifigkeit der Trägerstange der Schwingungseinrichtung auf den vorgeschriebenen Wert eingestellt wird, die Schwingungsableitung durch die Trägerstange unterdrückt werden. Da die Schwingungseinrichtungsbasis bei einer Position mit der Trägerstange, die an den zu erfassenden Körper befestigt ist, verbunden ist, wird auch bei einer Ausdehnung oder Kontraktion eines jeweiligen Elements der Schwingungseinrichtung aufgrund der Änderung in der Umgebungstemperatur keine Beanspruchung von der Trägerstange zu der Schwingungseinrichtungsbasis angelegt. Folglich ist die Ableitungsgröße der Schwingung, die durch die Schwingungseinrichtungsbasis zu der Trägerstange übertragen wird, von dem Einfluss der Temperaturänderung befreit. Deswegen kann die Schwingung aufgrund der Coriolis-Kraft mit einem geringen Schwingungsverlust und einer hohen Empfindlichkeit erfasst werden. Ferner kann, da der erfasste Wert von dem Einfluss einer Störung, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur, befreit ist, eine hochgenaue und stabile Erfassung der Winkelgeschwindigkeit erreicht werden.

Claims

Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung mit einer Schwingungseinrichtung (10), wobei in einem dreidimensionalen orthogonalen X-, Y- und Z-Koordinatenraum die Schwingungseinrichtung (10) eine Schwingungseinrichtungsbasis (11), die sich in die X-Richtung auf der XY-Ebene erstreckt, ein erstes Paar von Schwingungsstäben (12, 13), die in die Richtung +Y von der Schwingungseinrichtungsbasis (11) und bei im Wesentlichen symmetrischen Positionen in Bezug auf eine Y-Richtungsachse, die durch einen Mittelabschnitt der Schwingungseinrichtungsbasis (11) hindurchgeht, herausragen, ein zweites Paar von Schwingungsstäben (14, 15), die in die Richtung –Y von der Schwingungseinrichtungsbasis (11) und bei den gleichen X-Richtung-Positionen herausragen, wie es das erste Paar von Schwingungsstäben (12, 13) tut, wobei ein Paar der ersten und der zweiten Paare von Schwingungsstäben schlanker und länger ist als das andere Paar, und eine einzelne Trägerstange (16) aufweist, die eine Drehsteifigkeit aufweist, die auf einen vorgeschriebenen Wert eingestellt ist, wobei die Trägerstange (16) mit einem Ende mit dem Mittelabschnitt der Schwingungseinrichtungsbasis (11) verbunden ist, wobei das andere Ende der Trägerstange (16) in die Richtung –Y von der Schwingungseinrichtungsbasis (11) herausragt und bei einem zu erfassenden Körper befestigbar ist.
Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, die eine Anregungseinheit (5), die eingerichtet ist, die Schwingungseinrichtung anzuregen und schwingen zu lassen, eine Erfassungseinheit (60), die eingerichtet ist, eine Schwingungsamplitude auf der Grundlage einer Coriolis-Kraft zu erfassen, die mit einer Drehung der Schwingungseinrichtung auftritt, die durch die Anregungseinheit (5) angeregt wird zu schwingen, und eine Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinheit (70) umfasst, die eingerichtet ist, eine Winkelgeschwindigkeit der Drehung aus einer Größe der Amplitude, die durch die Erfassungseinheit (60) erfasst wird, zu berechnen.
Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Anregungseinheit (5) eingerichtet ist, die ersten Schwingungsstäbe (12, 13) in den X-Richtungen anzuregen und schwingen zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Schwingungseinrichtungsbasis (11) und die ersten (12, 13) und zweiten (14, 15) Paare der Schwingungsstäbe, die die Schwingungseinrichtung bilden, aus einem einzigen Quarzsubstrat mit gleichmäßiger Dicke hergestellt sind.
Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, das ein metallisiertes Substrat (100) umfasst, das eine Leitung zur Anregung, um einen Schaltungsabschnitt (111, 112) der Anregungseinheit (5) mit einer Elektrode (81 bis 84) zur Anregung zu verbinden, die bei den ersten (12, 13) oder zweiten (14, 15) Paaren von Schwingungsstäben bereitgestellt ist, und eine Leitung zur Erfassung umfasst, um einen Schaltungsabschnitt (111, 112) der Erfassungseinheit (60) mit einer Elektrode (81 bis 84) zur Erfassung, die bei den ersten (12, 13) oder zweiten (14, 15) Paaren der Schwingungsstäbe bereitgestellt ist, zu verbinden, wobei eine Spitze der Trägerstange (16) an das metallisierte Substrat geschweißt ist und wobei das metallisierte Substrat an den zu erfassenden Körper befestigbar ist.
Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Schwingungseinrichtung von einem elektrisch leitenden Potentialausgleichsmaterial umgeben ist.
Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Länge der Trägerstange (16) länger ist als die der ersten (12, 13) und zweiten (14, 15) Paare von Schwingungsstäben.