DE69836180T2

DE69836180T2 - Vibrationskreisel und Verfahren zu seiner Einstellung

Info

Publication number: DE69836180T2
Application number: DE69836180T
Authority: DE
Inventors: Toru Nagaokakyo-shi Yabe; Katsuhiko Nagaokakyo-shi Morita; Tetsuo Nagaokakyo-shi Tatsumi; Nobuyuki Nagaokakyo-shi Ishitoko; Michihiko Nagaokakyo-shi Takenaka
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2018-09-05
Also published as: EP0900999A3; EP0900999B1; JPH11142155A; US6023973A; JP3285140B2; CN1091514C; DE69836180D1; EP0900999A2; CN1210255A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vibrationsgyroskop und insbesondere auf ein Vibrationsgyroskop, das in einer Videokamera oder dergleichen verwendet wird, um äußere Vibrationen bzw. Schwingungen, wie z. B. Händeschütteln, durch Erfassen einer Rotationswinkelgeschwindigkeit zu erfassen und die Vibrationen auf der Basis der erfassten Informationen zu beseitigen. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Einstellen des obigen Typs von Vibrationsgyroskop.
2. Beschreibung der verwandten Technik
9 zeigt ein Beispiel der Vibrationsgyroskope, das in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 7-332988 offenbart ist. Dieses Gyroskop ist im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Bezug nehmend auf 9 umfasst ein Vibrationsgyroskop 100 einen Vibrator 101. Der Vibrator 101 weist ein Vibrationsbauteil 102 auf. Das Vibrationsbauteil 102 ist einstückig durch Stapeln eines ersten piezoelektrischen Substrats 103 und eines zweiten piezoelektrischen Substrats 104 mit einer Zwischenelektrode 105 zwischen denselben gebildet. Zwei geteilte Elektroden 106a und 106b sind auf der Hauptoberfläche des ersten piezoelektrischen Substrats 103 in der Längsrichtung des ersten piezoelektrischen Substrats 103 auf eine derartige Weise gebildet, dass dieselben voneinander getrennt sind. Eine gemeinsame Elektrode 107 ist auf der gesamten Hauptoberfläche des zweiten piezoelektrischen Substrats 104 angeordnet.
Die gemeinsame Elektrode 107 dient als eine Treiberelektrode zum Vibrieren bzw. in Schwingung Versetzen des Vibrators 101, während die geteilten Elektroden 106a und 106b als Erfassungselektroden dienen.
In dem Vibrationsgyroskop 100, das wie oben beschrieben aufgebaut ist, vibriert der Vibrator 101 unter einem Biegemodus in der Richtung orthogonal zu den Hauptoberflächen des ersten piezoelektrischen Substrats 103 und des zweiten piezoelektrischen Substrats 104 (im Folgenden als „die Treiberrichtung DX" bezeichnet). Eine Anwendung der Rotationswinkelgeschwindigkeit ω um die Mittelachse O des Vibrators 101 bewirkt eine Coriolis-Kraft in der Richtung orthogonal zu der Treiberrichtung DX (im Folgenden als „die Erfassungsrichtung DY" bezeichnet).
Es ist bekannt, dass die Empfindlichkeit von Gyroskopen allgemein am höchsten wird, wenn die Resonanzfrequenz in der Treiberrichtung im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz in der Erfassungsrichtung zusammenfällt. Das übliche Verfahren, um obiges zu erzielen, besteht darin, einen Abschnitt des Vibrationsbauteils zu entfernen, wie in den japanischen offengelegten Patentanmeldungen Nr. 2-298812 und 9-178487 offenbart ist.
In der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 9-178487 sind ein seitlicher Abschnitt S1 des ersten piezoelektrischen Substrats 103 und ein seitlicher Abschnitt S2 des zweiten piezoelektrischen Substrats 104 entfernt, um die Resonanzfrequenz in der Erfassungsrichtung DY zu verschieben (zu senken), wodurch bewirkt wird, dass die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX mit der Resonanzfrequenz fy in der Erfassungsrichtung DY in dem Vibrationsgyroskop 100 übereinstimmt.
Der obige bekannte Typ von Vibrationsgyroskop und das Einstellverfahren stellen deshalb die folgenden Probleme dar.
Insbesondere ist in dem Vibrationsgyroskop 100 die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX instabil. Dies ist so, da der Resonanzpunkt in der Treiberrichtung DX aufgespalten ist, was diskrete Oszillationsfrequenzen bewirkt. Die Vibration des Vibrators wird so instabil und das Signal-Zu-Rauschen-Verhältnis des Vibrationsgyroskops ist verschlechtert.
Entsprechend ist die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX so instabil, dass die Empfindlichkeit sinkt oder von derselben abgewichen wird, wenn die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX mit der Resonanzfrequenz fy in der Erfassungsrichtung DY zusammenfällt. Als ein Ergebnis kann kein stabiles Signal, das aus der Coriolis-Kraft resultiert, erhalten werden.
Insbesondere wird, wenn die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX mit der Resonanzfrequenz fy in der Erfassungsrichtung DY übereinstimmt, indem lediglich die Resonanzfrequenz fy verschoben wird, die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX überhaupt nicht verändert. Dieses Verfahren kann deshalb die oben beschriebenen Probleme nicht lösen.
Außerdem ist in dem herkömmlichen Gyroskop, da die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz fy in der Erfassungsrichtung DY übereinstimmt, der Q-Faktor in der Erfassungsrichtung höher. Entsprechend gibt es bei diesem Vibrationsgyroskop 100 eine große Phasenverzögerung bei dem Erfassungssignal, wobei so geringe Ausgabeansprechcharakteristika bewirkt werden.
In Bezug auf das Verfahren zum Ätzen der seitlichen Oberfläche des Vibrators 101 wird die Basis, auf der der Vibrator 101 befestigt ist, überhaupt nicht berücksichtigt. In der Praxis ist die seitliche Oberfläche abhängig von der Form der Basis schwierig zu ätzen.
Zusammenfassung der Erfindung
In Anbetracht des Vorstehenden besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Vibrationsgyroskop und ein Einstellverfahren für dasselbe bereitzustellen, bei denen ein stabiles Winkelgeschwindigkeitssignal erfasst werden kann und ein korrektes Winkelgeschwindigkeitssignal erhalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Vibrationsgyroskop gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst.
Das Vibrationsgyroskop weist einen säulenartigen Vibrator, einen Treiber und einen Detektor auf. Der säulenartige Vibrator umfasst ein erstes und ein zweites piezoelektrisches Substrat, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen entlang der Dickenrichtungen derselben polarisiert und miteinander gestapelt sind, zwei geteilte Elektroden, die auf einer Hauptoberfläche des ersten piezoelektrischen Substrats gebildet und in der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des ersten piezoelektrischen Substrats beabstandet sind, und eine gemeinsame Elektrode, die auf einer Hauptoberfläche des zweiten piezoelektrischen Substrats gebildet ist. Der Treiber ist zwischen die geteilten Elektroden und die gemeinsame Elektrode geschaltet und treibt den Vibrator in der Dickenrichtung des ersten und des zweiten piezoelektrischen Substrats. Der Detektor ist mit den geteilten Elektroden verbunden und erfasst eine Verschiebung, die durch eine Biegevibration des Vibrators bewirkt wird. Der Vibrator weist im Wesentlichen in den beiden diagonalen Richtungen, die diagonal vier Kanten verbinden, die sich in der Längsrichtung des Vibrators erstrecken, die gleiche Resonanzfrequenz auf.
Vorzugsweise ist eine Differenz zwischen der Resonanzfrequenz in einer Treiberrichtung des Vibrators und der Resonanzfrequenz in einer Erfassungsrichtung, die im Wesentlichen orthogonal zu der Treiberrichtung des Vibrators ist, ein vorbestimmter Wert. Insbesondere ist der vorbestimmte Wert innerhalb des Bereichs von 20–50 Hz und die Resonanzfrequenz in einer Treiberrichtung des Vibrators ist kleiner als die Resonanzfrequenz in einer Erfassungsrichtung des Vibrators.
Das Verfahren zum Einstellen eines Vibrationsgyroskops weist den Schritt eines Ätzens eines Abschnitts zumindest einer der geteilten Elektroden und der gemeinsamen Elektrode, derart, dass der Vibrator im Wesentlichen in den beiden diagonalen Richtungen, die diagonal vier Kanten verbinden, die sich in der Längsrichtung des Vibrators erstrecken, die gleiche Resonanzfrequenz aufweist, auf.
Das Verfahren könnte ferner den Schritt eines Einstellens einer Differenz zwischen der Resonanzfrequenz in einer Treiberrichtung des Vibrators und der Resonanzfrequenz in einer Erfassungsrichtung, die im Wesentlichen orthogonal zu der Treiberrichtung ist, auf einen vorbestimmten Wert durch weiteres Ätzen des Abschnitts zumindest einer der geteilten Elektroden und der gemeinsamen Elektrode aufweisen. Der vorbestimmte Wert ist vorzugsweise mit dem Bereich von 20–50 Hz ausgewählt und die Resonanzfrequenz in einer Treiberrichtung des Vibrators ist kleiner gemacht als die Resonanzfrequenz in einer Erfassungsrichtung des Vibrators.
Das Verfahren könnte ferner vor dem Ätzschritt folgende Schritte aufweisen: Versehen des Vibrators mit einem Trägerbauteil an einer Position, an der zumindest eine der geteilten Elektroden und der gemeinsamen Elektrode platziert ist, wobei die Position um einen Knoten herum ist, der während einer Vibration des Vibrators erzeugt wird; und Fixieren des Vibrators an einer rahmenartigen Basis über das Trägerbauteil durch Anbringen eines Endes des Trägerbauteils an der Basis.
Gemäß dem Vibrationsgyroskop der vorliegenden Erfindung sind die Resonanzfrequenzen in den beiden diagonalen Richtungen angepasst, um im Wesentlichen miteinander übereinzustimmen. Deshalb kann die Resonanzfrequenz in der Treiberrichtung des Vibrationsgyroskops stabil sein, was eine Vibration des Vibrators weiter stabilisiert. Dies macht es möglich, Erfassungssignale zu stabilisieren und korrekte Winkelgeschwindigkeitssignale zu erhalten.
Ferner ist, da eine bestimmte Differenz zwischen der Resonanzfrequenz in der Treiberrichtung und der Resonanzfrequenz in der Erfassungsrichtung bestehet, der Q-Faktor in der Erfassungsrichtung anscheinend reduziert. Die Ausgabeansprechcharakteristik ist so verbessert, wodurch Winkelgeschwindigkeitssignale, die einer externen Vibration, wie z. B. einem Händeschütteln, entsprechen, zügig erfasst werden und die Zeit, die zum Korrigieren eines Händeschüttelns erforderlich ist, verkürzt wird. Die Driftcharakteristika ansprechend auf Temperaturveränderungen werden ebenso verbessert.
Ferner werden beim Einstellen des Vibrationsgyroskops die geteilten Elektroden, die auf der oberen Oberfläche des Vibrators gebildet sind, oder die gemeinsame Elektrode, die auf der unteren Oberfläche des Vibrators gebildet ist, geschnitten. Folglich kann, selbst wenn das Vibrationsgyroskop in einer derartigen Weise strukturiert ist, dass es durch die Verwendung einer rahmenartigen Basis getragen wird, der Vibrator frei von Hindernissen auf der oberen Oberfläche oder der unteren Oberfläche des Rahmenbauteils ohne weiteres geschnitten werden, wodurch die Einfachheit einer Charakteristikeinstellung verbessert wird.
Zu dem Zweck einer Darstellung der Erfindung sind in den Zeichnungen mehrere Formen gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt werden, wobei jedoch darauf verwiesen wird, dass die Erfindung nicht auf die präzisen gezeigten Anordnungen und Einrichtungen eingeschränkt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Vibrationsgyroskops gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Zustand darstellt, in dem das Vibrationsgyroskop gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung befestigt ist.
3 stellt eine Schaltungskonfiguration des Vibrationsgyroskops gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
4 ist eine Vorderansicht, die die Vibrationsrichtungen des Vibrationsgyroskops gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
5 ist eine Unteransicht, die ein Einstellverfahren für das Vibrationsgyroskop gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
6 ist ein Diagramm, das Impedanzcharakteristika eines Vibrationsgyroskops gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 ist ein Diagramm, das eine Impedanzcharakteristik eines bekannten Vibrationsgyroskops darstellt.
8 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Einstellverfahren für das Vibrationsgyroskop gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die einbekanntes Vibrationsgyroskop und ein Einstellverfahren für dasselbe darstellt.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden sind die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 stellt ein Vibrationsgyroskop gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Das Vibrationsgyroskop 10 umfasst einen Vibrator 11. Der Vibrator 11 weist ein Vibrationsbauteil 12 mit einer im Allgemeinen Rechteckprismenform auf. Das Vibrationsbauteil 12 weist ein erstes piezoelektrisches Substrat 13 und ein zweites piezoelektrisches Substrat 14 auf, die beide aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) hergestellt sind und mit einer Zwischenelektrode 15, die zwischen denselben angeordnet ist, gestapelt sind. Das erste piezoelektrische Substrat 13 und das zweite piezoelektrische Substrat 14 sind in zueinander entgegengesetzten Richtungen entlang ihrer Dicke polarisiert, wie durch die in 1 gezeigten Pfeile angezeigt ist.
Zwei geteilte Elektroden 16a und 16b sind parallel zueinander in der Längsrichtung des Vibrationsbauteils 12 auf einer Hauptoberfläche des ersten piezoelektrischen Substrats 13 gebildet, d. h. auf der Oberfläche, die nicht an das zweite piezoelektrische Substrat 14 angrenzt. Jede der geteilten Elektroden 16a und 16b ist ferner an beiden Enden der Längsrichtung des Vibrationsbauteils 11 gemäß zwei Knoten N unterteilt, die während einer Vibration des Vibrationsbauteils 11 erzeugt werden. Eine gemeinsame Elektrode 17 ist auf einer Hauptoberfläche des zweiten piezoelektrischen Substrats 14 angeordnet, d. h. auf der gesamten Oberfläche des zweiten piezoelektrischen Substrats 14, die nicht an das erste piezoelektrische Substrat 13 angrenzt.
Trägerbauteile 18 sind durch Mittel, wie z. B. Löten an den beiden Knoten N, die während einer Vibration des Vibrators 11 erzeugt werden, an den geteilten Elektroden 16a und 16b befestigt, die an dem oberen Abschnitt des Vibrators 11 positioniert sind. Ähnlich sind Trägerbauteile 19 an den Knoten N an der gemeinsamen Elektrode 17 befestigt, die an dem unteren Abschnitt des Vibrators 11 positioniert ist. Die Trägerbauteile 18 und 19 sind aus einem dauerhaft elastischen Metallmaterial, wie z. B. Elinvar, in eine schmale Metallplatte, die allgemein in einer Z-Form gebildet ist, gebildet.
2 stellt den Zustand dar, in dem das Vibrationsgyroskop 10 der vorliegenden Erfindung befestigt ist. Zur Klarheit ist der Vibrator 11 in eine Rechteckprismenform vereinfacht, indem die Elektroden weggelassen sind.
Der Vibrator 11 ist in einer rahmenartigen Basis 20 untergebracht, die aus einem Metall oder einem Harz in einer derartigen Weise hergestellt ist, dass er durch die Trägerbauteile 18 und 19 hängt, und die Enden der Trägerbauteile 18 sind an der oberen Oberfläche der Basis 20 durch Mittel, wie z. B. Löten, angebracht. Entsprechend sind die Enden der Trägerbauteile 19 an der unteren Oberfläche der Basis 20 durch Mittel, wie z. B. Löten, angebracht. Mit dieser Konfiguration wird der Vibrator 11 innerhalb der hohlen Basis 20 getragen.
Das Vibrationsgyroskop 10 weist ferner eine Schaltung auf, die in 3 gezeigt ist. Insbesondere ist ein Ausgangsanschluss einer Oszillationsschaltung 21, der als ein Treiber dient, mit den geteilten Elektroden 16a und 16b über Widerstände 22a bzw. 22b verbunden. Der andere Ausgangsanschluss der Vibrationsschaltung 21 ist mit der gemeinsamen Elektrode 17 verbunden. Ferner sind die geteilten Elektroden 16a und 16b mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss (+) bzw. dem invertierenden Eingangsanschluss (-) einer Differenzverstärkerschaltung 24, die als ein Detektor dient, über Widerstände 23a bzw. 23b verbunden. Ein Widerstand 25 ist zwischen den Ausgangsanschluss der Differenzverstärkerschaltung 24 und den invertierenden Eingangsanschluss (-) der Differenzverstärkerschaltung 24 geschaltet.
Ein Treibersignal, wie z. B. ein Sinuswellensignal, das aus der Oszillationsschaltung 21 ausgegeben wird, wird an die geteilten Elektroden 16a und 16b des Vibrators 11 über die Widerstände 22a bzw. 22b angelegt, wodurch Vibrationen unter einem Biegemodus in dem ersten piezoelektrischen Substrat 13 und dem zweiten piezoelektrischen Substrat 14 in der Richtung DX orthogonal zu deren Hauptoberflächen bewirkt werden (im Folgenden als „die Treiberrichtung DX" bezeichnet). Dann dreht sich das Vibrationsgyroskop 10 um die Mittelachse O des Vibrators 11, um eine Coriolis-Kraft ansprechend auf die Rotationswinkelgeschwindigkeit zu erzeugen. Die erzeugte Coriolis-Kraft wirkt in der Richtung DY (im Folgenden als „die Erfassungsrichtung DY" bezeichnet) parallel zu der Hauptoberfläche des ersten piezoelektrischen Substrats 13 und des zweiten piezoelektrischen Substrats 14 und orthogonal zu der Mittelachse O des Vibrators 11. Aufgrund dieser Coriolis-Kraft verändert der Vibrator 11 die Richtung seiner Biegevibration und ein Signal wird ansprechend auf die Rotationswinkelgeschwindigkeit zwischen den geteilten Elektroden 16a und 16b erzeugt. Das Signal wird dann durch die Differenzverstärkerschaltung 24 über die Widerstände 23a und 23b erfasst. Die Rotations winkelgeschwindigkeit kann ferner durch ein Ausgangssignal aus der Differenzverstärkerschaltung 24 erfasst werden.
Bezug nehmend auf 4 ist eines der wesentlichen Merkmale des Vibrationsgyroskops 10, dass der Vibrator 11 im Wesentlichen in den beiden diagonalen Richtungen D1 und D2, die diagonal vier Kanten verbinden, die sich in der Längsrichtung des Vibrators 11 erstrecken, die gleiche Resonanzfrequenz aufweist. Gemäß der Struktur wird die Resonanzfrequenz fx erfolgreich stabilisiert, da die Resonanz in der Richtung D1 und die Resonanz in der Richtung D2, die beide die Resonanz in der Treiberrichtung DX bilden, im Wesentlichen gleich gemacht sind.
Die Struktur kann durch ein Entfernen eines Abschnitts des Vibrators 11 erreicht werden, so dass die Resonanzfrequenz f1 und die Resonanzfrequenz f2 in den jeweiligen beiden Richtungen D1 und D2, d. h. entlang der diagonalen Leitungen des Vibrators 11, die die vier Längskanten verbinden, im Wesentlichen miteinander übereinstimmen. In diesem Fall sollte ein Abschnitt des Vibrators 11 an zumindest einer der folgenden Positionen entfernt werden: an den geteilten Elektroden 16a und 16b und/oder an der gemeinsamen Elektrode 17 entsprechend der Position, die den geteilten Elektroden 16a und 16b zugewandt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Positionen S, S der gemeinsamen Elektrode 17, die den geteilten Elektroden 16a und 16b zugewandt sind, entfernt, wie in 5 dargestellt ist. Es wird angemerkt, dass die Trägerbauteile 18 zur Klarheit nicht gezeigt sind.
Der Grund für ein Entfernen oder Ätzen der gemeinsamen Elektrode 17 bei diesem Ausführungsbeispiel ist wie folgt. Das Ätzen der geteilten Elektroden 16a und 16b, die als Erfassungselektroden dienen, könnte verschiedentlich nachteilige Einflüsse auf zu erfassende Signale erzeugen. Andererseits verändert das Ätzen der gemeinsamen Elektrode 17, die als eine Treiberelektrode dient, zu erfassende Signale kaum. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass die gemeinsame Elektrode 17 geätzt wird.
Wie oben erläutert wurde, sind die Resonanzfrequenzen f1 und f2 in den beiden jeweiligen diagonalen Richtungen D1 und D2 angepasst, um im Wesentlichen miteinander zusammenzufallen. Es ist jedoch schwierig, die Resonanzfrequenzen vollständig übereinzustimmen, d. h. keine Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen zu erhalten, d. h. f1 – f2 = 0. Es wird so angesehen, dass die Resonanzfrequenzen im Wesentlichen miteinander übereinstimmen, wenn eine Differenz bei den Resonanzfrequenzen nicht mehr als 5 Hz beträgt, d. h. |f1 – f2| ≤ 5 Hz.
Wie oben erläutert wurde, kann in dem Vibrationsgyroskop gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, da die Resonanzfrequenzen f1 und f2 in den diagonalen Richtungen D1 und D2 im Wesentlichen miteinander zusammenfallen, die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX stabilisiert werden.
Dies ist unter Bezugnahme auf die Diagramme, die die Impedanz-Frequenz-Charakteristika darstellen, die in den 6 und 7 gezeigt sind, detaillierter erläutert. 6 stellt die Impedanzcharakteristika des Vibrationsgyroskops 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. 7 stellt die Impedanzcharakteristika des bekannten Vibrationsgyroskops 100 dar. In den Diagrammen stellt die horizontale Achse die Frequenz dar, während die vertikale Achse die Impedanz anzeigt. Die Frequenz auf der horizontalen Achse stellt nur eine Region um den Resonanzpunkt herum dar.
Die 6 und 7 legen die folgenden Fakten dar. In dem bekannten Vibrationsgyroskop 100 ist der Resonanzpunkt der Impedanzcharakteristika in der Treiberrichtung DX in zwei Punkte aufgespalten. Dies ist so, da die Resonanzpunkte der Impedanzcharakteristikkurven in den schrägen Richtungen D1 und D2 separat voneinander sind. Umgekehrt fallen in dem Vibrationsgyroskop 10 der vorliegenden Erfindung die Resonanzpunkte der Impedanzcharakteristikkurven in den beiden schrägen Richtungen D1 und D2 im Wesentlichen zusammen, was zu einem einzelnen Resonanzpunkt der Impedanzcharakteristik in der Treiberrichtung DX führt. Dies macht es möglich, den herkömmlichen Nachteil zu überwinden, bei dem die Vibrationsmode in der Treiberrichtung DX verzerrt ist und dabei eine Oszillation instabil macht. Das Vibrationsgyroskop erzeugt deshalb stabile Vibrationen und zeigt eine stabile Empfindlichkeit und stabile Temperaturcharakteristika.
Es ist anzumerken, dass das Vibrationsgyroskop 10 dann so eingestellt wird, dass eine Differenz |fx – fy| zwischen der Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX und der Resonanzfrequenz fy in der Erfassungsrichtung DY ein vorbestimmter Wert wird. Dieser Schritt wird durch weiteres Ätzen der Positionen S, S der gemeinsamen Elektrode 17 durchgeführt, während die Resonanzfrequenzen in den diagonalen Richtungen D1 und D2 auf im Wesentlichen dem gleichen Wert gehalten werden.
Bei diesem Schritt wird der vorbestimmte Wert abhängig von der Anwendung des Vibrationsgyroskops 10 innerhalb des Bereichs von 20 ≤ |fx – fy| ≤ 50 (Hz) ausgewählt. Dann wird das Vibrationsgyroskop 10 so eingestellt, dass der Wert |fx - fy| innerhalb von 3 Hz Abweichung von dem vorbestimmten Wert erfüllt ist.
Wenn z. B. der Referenzwert fy – fx als 25 Hz bestimmt wird, werden die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX und die Resonanzfrequenz fy in der Erfassungsrichtung DY so eingestellt, dass die Resonanzfrequenzen fx und fy folgenden Ausdruck erfüllen: 22 ≤ fy – fx ≤ 28 Hz.
Auf diese Weise werden gemäß dem Vibrationsgyroskop 10 der vorliegenden Erfindung die Resonanzfrequenz fx in der Treiberrichtung DX und die Resonanzfrequenz fy in der Erfassungsrichtung DY, wie durch das in 6 gezeigte Diagramm angezeigt ist, in einer derartigen Weise eingestellt, dass eine gewisse Differenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen vorliegt (bei diesem Ausführungsbeispiel fy – fx = 25 Hz).
Dies macht es möglich, den Oszillationspunkt zu einer Frequenz zu verschieben, die kleiner ist als die Resonanzfrequenz fy in der Erfassungsrichtung DY. So wird der Q-Faktor in der Erfassungsrichtung DY anscheinend gesenkt und außerdem tritt eine Oszillation in einer Region auf, in der die Impedanzcharakteristik in der Erfassungsrichtung DY linear ist.
Allgemein wird die Ausgabeansprechcharakteristik des Vibrationsgyroskops durch den folgenden Ausdruck angezeigt.
Ausgabeansprechcharakteristik ≈ (Frequenz)/Q. Entsprechend wird, da der Q-Faktor in der Erfassungsrichtung DY anscheinend reduziert wird, die Ausgabeansprechcharakteristik verbessert.
Obwohl bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel die Resonanzfrequenzen durch Ätzen der gemeinsamen Elektrode 17 eingestellt werden, könnten Positionen S', S' an den geteilten Elektroden 16a und 16b geätzt werden, wie in 8 gezeigt ist.
Ferner werden gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel beim Einstellen der Charakteristika des Vibrationsgyroskops 10 die geteilten Elektroden 16a und 16b, die auf der oberen Oberfläche des Vibrators 11 platziert sind, oder die gemeinsame Elektrode 17, die auf der unteren Oberfläche des Vibrators 11 platziert ist, geätzt. Entsprechend kann, selbst wenn das Vibrationsgyroskop durch eine Verwendung der rahmenartigen Basis 20, die in 2 gezeigt ist, getragen wird, der Vibrator 11 ohne weiteres geätzt werden, um die Charakteristika einzustellen, da er frei von Hinder nissen auf der oberen Oberfläche oder der unteren Oberfläche der Basis 20 ist.
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ist der Vibrator durch Laminieren zweier piezoelektrischer Substrate, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen entlang ihrer Dicke polarisiert sind, gebildet. Der Vibrator jedoch könnte durch Laminieren zweier piezoelektrischer Substrate, die in der gleichen Richtung polarisiert sind, und durch Erden einer Zwischenelektrode gebildet werden, obwohl dies nicht insbesondere gezeigt ist.
Verschiedene Mittel zum Entfernen oder Ätzen des Vibrators könnten gemäß dem Zweck einer Verwendung oder Charakteristika des Vibrationsgyroskops verwendet werden, wie z. B. ein Laserstrahl, ein Router, oder Sandstrahlen.
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel besteht eine bestimmte Differenz zwischen der Resonanzfrequenz in der Treiberrichtung und der Resonanzfrequenz in der Erfassungsrichtung. Die beiden Resonanzfrequenzen könnten angepasst sein, um im Wesentlichen zusammenzufallen, wobei in diesem Fall die Empfindlichkeit verbessert wird. Wie oben erläutert wurde, verbessert jedoch eine Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen die verschiedenen Charakteristika, wie z. B. Ansprechen. Entsprechend ist es durch Betrachten der Gesamtleistung des Gyroskops vorzuziehen, dass die Resonanzfrequenzen differenziert sind, um das Gyroskop einzustellen.
Die zu entfernende Form ist nicht auf zwei parallele Schlitze in der Längsrichtung des Vibrators 11 eingeschränkt, wie in 5 oder 8 dargestellt ist. Nur ein Schlitz könnte gebildet sein und die zu schneidende Form ist nicht besonders eingeschränkt.
Während bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart wurden, kommen verschiedene Modi zur Ausführung der hierin offenbarten Prinzipien als innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche in Betracht. Deshalb wird darauf verwiesen, dass der Schutzbereich der Erfindung nicht eingeschränkt sein soll, mit Ausnahme davon, wie anderweitig in den Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Ein Vibrationsgyroskop (10), das folgende Merkmale aufweist: einen Vibrator (11) in Rechteckprismenform, der ein erstes und ein zweites piezoelektrisches Substrat (13, 14) umfasst, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen entlang jeweiliger Dickenrichtungen polarisiert sind; wobei jedes Substrat (13, 14) folgende Merkmale aufweist: eine erste und eine zweite Hauptoberfläche, wobei die Substrate entlang ihrer jeweiligen ersten Hauptoberflächen miteinander gestapelt sind; zwei geteilte Elektroden (16a, 16b), die auf der zweiten Hauptoberfläche des ersten piezoelektrischen Substrats (13) gebildet und in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung des ersten piezoelektrischen Substrats (13) beabstandet sind; und eine gemeinsame Elektrode (17), die auf der zweiten Hauptoberfläche des zweiten piezoelektrischen Substrats (14) gebildet ist; einen Treiber (21) zum Treiben des Vibrators (11) in der Dickenrichtung des ersten und des zweiten piezoelektrischen Substrats (13, 14), wobei der Treiber zwischen die geteilten Elektroden (16a, 16b) und die gemeinsame Elektrode (17) geschaltet ist; und einen Detektor (24) zum Erfassen einer Verschiebung, die durch eine Biegevibration des Vibrators (11) bewirkt ist, wobei der Detektor (24) mit den geteilten Elektroden (16a, 16b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (13, 14), die beiden geteilten Elektroden (16a, 16b) und die gemeinsame Elektrode (17) derart strukturiert und angeordnet sind, dass der Vibrator (11) im Wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz in zwei diagonalen Richtungen (O₁, O₂) aufweist, die diagonal vier Kanten verbinden, die sich in der Längsrichtung des Vibrators (11) erstrecken, wobei bei zumindest einer der geteilten Elektroden (16a, 16b) und der gemeinsamen Elektrode (17) an einer Position, die der Position entspricht, die den geteilten Elektroden (16a, 16b) zugewandt ist, ein Abschnitt entfernt ist, so dass der Vibrator (11) im Wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz in den beiden diagonalen Richtungen (O₁, O₂) aufweist, die diagonal vier Kanten verbinden, die sich in der Längsrichtung des Vibrators (11) erstrecken.
Ein Vibrationsgyroskop gemäß Anspruch 1, bei dem eine Differenz zwischen der Resonanzfrequenz in einer Treiberrichtung des Vibrators (11) und der Resonanzfrequenz in einer Erfassungsrichtung, die im Wesentlichen orthogonal zu der Treiberrichtung des Vibrators (11) ist, ein vorbestimmter Wert ist.
Ein Vibrationsgyroskop gemäß Anspruch 2, bei dem der vorbestimmte Wert innerhalb des Bereichs von 20 bis 50 Hz liegt.
Ein Vibrationsgyroskop gemäß Anspruch 3, bei dem die Resonanzfrequenz in einer Treiberrichtung des Vibrators kleiner ist als die Resonanzfrequenz in einer Erfassungsrichtung des Vibrators.
Ein Verfahren zum Einstellen eines Vibrators (11) in Rechteckprismenform, der ein erstes und ein zweites piezoelektrisches Substrat (13, 14), die in zueinander entgegengesetzten Richtungen entlang jeweiliger Dickenrichtungen polarisiert sind, wobei jedes Substrat eine erste und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, wobei die Substrate entlang ihrer jeweiligen ersten Hauptoberflächen miteinander gestapelt sind, zwei geteilte Elektroden (16a, 16b), die auf der zweiten Hauptoberfläche des ersten piezoelektrischen Substrats (13) gebildet und in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung des ersten piezoelektrischen Substrats (13) beabstandet sind, und eine gemeinsame Elektrode (17), die auf der zweiten Hauptoberfläche des zweiten piezoelektrischen Substrats (14) gebildet ist, umfasst; wobei das Verfahren durch den Schritt eines Ätzens eines Abschnitts zumindest einer der geteilten Elektroden (16a, 16b) und der gemeinsamen Elektrode (17) an einer Position, die der Position entspricht, die den geteilten Elektroden (16a, 16b) zugewandt ist, derart, dass der Vibrator (11) im Wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz in zwei diagonalen Richtungen aufweist, die diagonal vier Kanten verbinden, die sich in der Längsrichtung des Vibrators (11) erstrecken, gekennzeichnet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner den Schritt eines Einstellens einer Differenz zwischen der Resonanzfrequenz in einer Treiberrichtung des Vibrators und der Resonanzfrequenz in einer Erfassungsrichtung, die im Wesentlichen orthogonal zu der Treiberrichtung ist, auf einen vorbestimmten Wert durch weiteres Ätzen des Abschnitts zumindest einer der geteilten Elektroden (16a, 16b) und der gemeinsamen Elektrode (17) aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der vorbestimmte Wert mit dem Bereich von 20 bis 50 Hz ausgewählt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Resonanzfrequenz in der Treiberrichtung des Vibrators (11) kleiner ist als die Resonanzfrequenz in der Erfassungsrichtung des Vibrators.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner vor dem Ätzschritt folgende Schritte aufweist: Versehen des Vibrators (11) mit einem Trägerbauteil (18) an einer Position, an der zumindest eine der geteilten Elektroden (16a, 16b) und der gemeinsamen Elektrode (17) platziert ist, wobei die Position um einen Knoten herum ist, der während einer Vibration des Vibrators (11) erzeugt wird; und Fixieren des Vibrators (11) an einer rahmenartigen Basis (20) über das Trägerbauteil (18) durch Anbringen eines Endes des Trägerbauteils (18) an der Basis (20).