DE69837905T2

DE69837905T2 - Vibratoren und Vibrationskreisel

Info

Publication number: DE69837905T2
Application number: DE69837905T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Nagoya City Kikuchi; Shosaku Ama-Gun Gouji; Yukihisa Nagoya City Osugi; Takao Nishikamo-gun Soma
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2018-11-03
Also published as: CN1515874A; CN1224149A; US6227048B1; CN1293364C; JP3999377B2; JPH11281372A; CA2252655C; CA2252655A1; EP0915322A3; US20010001928A1; DE69837905D1; CN1119624C; EP0915322B1; US6439051B2; EP0915322A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft einen Schwinger und einen Schwingkreisel, der für einen Winkelgeschwindigkeitssensor zum Messen einer Drehwinkelgeschwindigkeit in einem Drehsystem verwendet wird.
Bisher wurde ein ein piezoelektrisches Material verwendender Schwingkreisel als Winkelgeschwindigkeitssensor zur Detektion einer Drehwinkelgeschwindigkeit in einem Drehsystem verwendet, um die Position eines Flugzeugs, eines Schiffs und eines Weltraumsatelliten zu detektieren. Seit kurzem wird der Schwingkreisel in einem Fahrzeugnavigationssystem und in einem Bewegungsdetektionsmechanismus in einem Videorecorder oder einer Stehbildkamera im Konsumgüter-Bereich eingesetzt.
Ein solcher Schwingkreisel verwendet die Coriolis-Kraft, welche erzeugt wird, wenn eine Winkelbewegung an einem schwingenden Gegenstand in einer zur Schwingungsrichtung senkrechten Richtung ausgeübt wird. Dieser Mechanismus kann durch Anwendung eines dynamischen Modells (etwa im von Ohm, Inc. veröffentlichten „Handbook of Elastic Wave Device Technologies" (Danseiha-Sosi Gijutsu Handbook), 491–497) erklärt werden. Verschiedene Arten piezoelektrischer Schwingkreisel wurden vorgeschlagen. Beispielsweise sind ein Sperry-Stimmgabel-Schwingkreisel, ein Watson-Stimmgabel-Schwingkreisel, ein Stimmelementschwingkreisel in Form eines regelmäßigen Dreiecks-Prisma und ein zylinderförmiger Stimmelementschwingkreisel bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben verschiedene Anwendungsformen von Schwingkreiseln erforscht und einen Schwingkreisel als einen Drehgeschwindigkeitssensor in einem Fahrzeugsteuerungssystem eines Fahrzeugrumpf-Drehgeschwindigkeits-Rückkopplungssystems verwendet. Ein derartiges System detektiert durch den Drehwinkel des Lenkradwinkels selbsttätig die Orientierung eines Lenkrades. Gleichzeitig detektiert das System eine Drehgeschwindigkeit des sich tatsächlich drehenden Fahrzeug rumpfes mithilfe des Schwingkreisels. Dann erkennt das System eine Differenz zwischen der Orientierung des Lenkrades und der Geschwindigkeit des sich tatsächlich drehenden Körpers durch Vergleichen derselben miteinander und erzielt, basierend auf dieser Differenz, eine stabile Körpersteuerung durch Kompensieren des Raddrehmoments und des Lenkwinkels.
Jedes Beispiel der oben erwähnten vorherigen piezoelektrischen Schwingkreisel kann jedoch die Drehwinkelgeschwindigkeit nur dann detektieren, wenn dessen Schwinger parallel zur Drehachse angeordnet ist (welches als die sogenannte „vertikale Anordnung" bekannt ist). Die Drehachse eines zu messenden Drehsystems ist üblicherweise senkrecht zum Kreiselbefestigungsteil. Wenn ein solcher piezoelektrischer Schwingkreisel angebracht wird, war es bisher nicht möglich, die Höhe des piezoelektrischen Schwingkreisels zu verringern, nämlich, um die Größe des piezoelektrischen Schwingkreisels in Richtung der Drehachse zu reduzieren.
Vor kurzem wurde ein piezoelektrischer Schwingkreisel in einer offengelegten japanischen Patentveröffentlichung JP-A-8-128833 vorgeschlagen, der zur Detektion der Drehwinkelgeschwindigkeit imstande ist, selbst wenn ein Schwinger senkrecht zur Drehachse angeordnet ist (was „horizontale Anordnung" genannt wird). Sogar ein solcher Schwingkreisel weist jedoch eine Beschränkung auf, was die Verringerung der Größe des Schwingkreisel in Richtung der Drehachse anbelangt.
Die WO95/34798 offenbart einen Coriolis-Drehgeschwindigkeitssensor mit einer durch Federn von einem Träger hängenden, schwingenden Masse. Die durch eine Coriolis-Beschleunigung hervorgerufene Verschiebung der Masse wird durch Verarbeitungsschaltkreise detektiert. Insbesondere greift eine Kammstruktur des Schwingers in eine fixe Kammstruktur des Detektors ein.
Die EP-A-844.461 , veröffentlicht am 27. Mai 1998, offenbart Schwingerkonstruktionen, die in Bezug auf die vorliegende Anmeldung unter Artikel 54(3) EPÜ zu berücksichtigen sind. Diese Rotationsabfühlschwinger verfügen über in einer Ebene verteil te Schwingungssysteme. Eines der Schwingungssysteme ist ein Ansteuerschwingungssystem. Andere Schwingungssysteme sind Detektionsschwingungssysteme.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen Schwingkreisels, welcher einen sich in einer gegebenen Ebene erstreckenden Schwinger umfasst, sowie eines Schwingkreisels, der zur Detektion einer Winkelgeschwindigkeit der Drehung imstande ist, wenn der Schwinger einer Drehung in der Ebene unterworfen wird.
Die Erfindung stellt einen Rotationsabfühl-Schwinger bereit, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Die Erfindung stellt ebenfalls einen Schwingkreisel, wie in Anspruch 21 ausgeführt, bereit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Prinzipien in Bezug auf den erfindungsgemäßen Schwingkreisel, sie veranschaulicht jedoch keine Ausführungsform der Erfindung (dasselbe gilt auch für die 2–6, 8 und 9);
2(a) und 2(b) sind schematische Darstellungen zur Veranschaulichung von Beispielen von Schwingungsmoden in ersten Schwingungssystemen;
3 ist eine schematische Darstellung zur Abbildung von Beispielen von Schwingungsmoden in ersten Schwingungssystemen.
4(a) und 4(b) sind schematische Zeichnungen zur Darstellung von Bespielen von Schwingungsmoden in zweiten Schwingungssystemen;
5(a) und 5(b) sind schematische Abbildungen zur Veranschaulichung anderer Beispiele von Schwingungsmoden in zweiten Schwingungssystemen;
6 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Position des Schwerpunktes GD von Ansteuerschwingungen, die in einem Schwinger induziert werden;
7 ist eine schematische Veranschaulichung zur Darstellung eines Schwingkreisels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in der Schwingsysteme von einem Basisabschnitt radial vorstehen;
8 ist eine schematische Abbildung eines Schwingers, in dem erste Schwingungssysteme von einem Basisabschnitt vorragen und zweite Schwingungssysteme von einem Rahmenabschnitt nach innen vorstehen;
9 ist eine schematische Zeichnung zur Erläuterung eines Schwingers, in dem zweite Schwingungssysteme von einem Basisabschnitt vorragen und erste Schwingungssysteme von einem Rahmenabschnitt nach innen vorstehen;
10 ist eine schematische Darstellung zur Abbildung eines erfindungsgemäßen Schwingers, in dem erste und zweite Schwingungssysteme gemeinsam von einem Rahmenabschnitt nach innen vorragen;
11 ist eine schematische Draufsicht zur Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
12 stellt das relative Verhältnis einer Schwingungsamplitude an jedem Punkt in einem Schwinger zur Maximalschwingungsamplitude im Ansteuerschwingungsmodus dar;
13 zeigt das relative Verhältnis einer Schwingungsamplitude an jedem Punkt im Schwinger von 11 zur Maximalschwingungsamplitude im Detektionsschwingungsmodus;
14 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
15 ist eine Draufsicht zur schematischen Veranschaulichung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
16 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
17 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
18 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
19(a) ist eine Liniendarstellung zur schematischen Veranschaulichung des Ansteuerschwingungsmodus des Schwingers von 18;
19(b) ist eine Liniendarstellung zur schematischen Veranschaulichung des Detektionsschwingungsmodus desselben;
20 ist eine Draufsicht auf einen Schwingkreisel, der einen durch Silizium-Halbleiter-Verarbeitung ausgebildeten Schwinger verwendet;
21 ist eine Draufsicht zur schematischen Veranschaulichung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
22 zeigt das relative Verhältnis einer Schwingungsamplitude an jedem Punkt im Schwinger von 21 zur Maximalschwingungsamplitude im Ansteuerschwingungsmodus;
23 zeigt das relative Verhältnis einer Schwingungsamplitude an jedem Punkt im Schwinger von 21 zur Maximalschwingungsamplitude im Detektionsschwingungsmodus;
24 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
25 ist eine Draufsicht zur schematischen Veranschaulichung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
26 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
27 ist eine Draufsicht zur schematischen Veranschaulichung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
28 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
29 ist eine Draufsicht zur schematischen Veranschaulichung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
30 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
31 ist eine Draufsicht zur schematischen Veranschaulichung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
32 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
33 zeigt das relative Verhältnis einer Schwingungsamplitude an jedem Punkt im Schwinger von 32 zur Maximalschwingungsamplitude im Ansteuerschwingungsmodus;
34 zeigt das relative Verhältnis einer Schwingungsamplitude an jedem Punkt im Schwinger von 32 zur Maximalschwingungsamplitude im Detektionsschwingungsmodus;
35 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
36 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Schwingers, der den Schwinger von 24 verkörpert;
37(a) und 37(b) sind Querschnittansichten, die jeweils Elektroden zum Ansteuern oder Detektieren zeigen, die in jedem Biegesschwingungsstück im Schwinger von 36 bereitgestellt sind;
38 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Schwingers, der den Schwinger von 24 darstellt;
39(a) und 39(b) sind Querschnittsansichten, die jeweils Elektroden zum Ansteuern oder Detektieren zeigen, die in jedem Biegeschwingungsstück im Schwinger von 38 bereitgestellt sind;
40 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Schwingers, der den Schwinger von 24 darstellt;
41(a) und 41(b) sind Querschnittsansichten, die jeweils Elektroden zum Ansteuern oder Detektieren abbilden, die in jedem Biegeschwingungsstück im Schwinger von 40 bereitgestellt sind;
42 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels eines Phasendifferenz-Detektionsmittels 62, das zum Messen einer Drehwinkelgeschwindigkeit verwendet wird;
43 ist eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung eines Schwingkreisels eines weiteren Beispiels der Erfindung, in dem ein Durchgangsloch in jedem Lagerabschnitt ausgebildet ist;
44 ist eine perspektivische Ansicht zur schematischen Veranschaulichung eines Schwingkreisels eines weiteren Beispiels der Erfindung, in dem ein Biegeschwingungsstück zum Ansteuern gebogen ist;
45 ist eine perspektivische Ansicht eines Schwingkreisels eines weiteren Beispiels der Erfindung;
46 ist eine perspektivische Ansicht eines Schwingkreisels eines weiteren Beispiels der Erfindung;
47 ist eine perspektivische Ansicht eines Schwingkreisels eines weiteren Beispiels der Erfindung;
48 ist ein Diagramm zur Darstellung der Differenz zwischen Maximum- und Minimumwerten im Verlauf von –30°C bis 80°C der Differenzen von Eigen-Schwingungsfrequenzen in Ansteuer- und Detektionsschwingung, relativ zu den Längen der Biegeschwingungsstücke und den Verhältnissen der Höhen der Vorsprünge zu den Dicken der Stücke;
49 ist eine Draufsicht zur Veranschaulichung eines Schwingkreisels von weiteren Beispielen der Erfindung, in dem die Vorsprünge auf der Seite eines Schwingers bereitgestellt sind;
50 ist eine Draufsicht zur Darstellung eines Schwingkreisels von weiteren Beispielen der Erfindung, in dem Durchgangslöcher in Endabschnitten der Biegeschwingungsstücke ausgebildet sind;
51 ist ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Ätzvorgangs, der in einem Biegeschwingungsstück abläuft; und
52 ist eine Draufsicht zur Darstellung eines Schwingkreisels eines weiteren Beispiels der Erfindung, in dem vergrößerte Abschnitt mit ausgebildeten Durchgangslöchern in den Enden der Biegeschwingungsstücke bereitgestellt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben Forschungen im Bereich der Grundprinzipien der Schwinger, welche im Schwingkreisel verwendet werden, betrieben und mit Erfolg einen Schwinger und einen Schwingkreisel entwickelt, welche auf einem gänzlich neuen Prinzip beruhen, das nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 näher erläutert wird.
„O" ist ein Schnittpunkt einer Drehachse „Z" und einer spezifizierten Ebene eines Schwingers oder der Mittelpunkt der Drehung. „GO" ist der Schwerpunkt des Schwingers als Ganzes, wenn der Schwinger nicht schwingt. „GD" ist der Schwerpunkt einer Ansteuerschwingung. Eine Vielzahl an Schwingungssystemen ist um die Schwerpunkte „GD" und „GO" herum bereitgestellt. Die unter Bezug auf die 1 bis 10 beschriebenen Ausführungsformen umfassen vier Schwingungssysteme, deren Anzahl jedoch variiert werden kann.
Wie in 1 zu sehen, werden erste Schwingungssysteme 1A und 1B um den Schwerpunkt GO und GD und in miteinander nach der Drehung der Positionen um den Schwerpunkt GO identischen Positionen bereitgestellt. Die Schwingungen der Systeme 1A und 1B umfassen radiale Schwingungskomponenten 5A und 5B relativ zum Schwerpunkt GO. Zweite Schwingungssysteme 2A und 2B sind ferner um den Schwerpunkt GO herum bereitgestellt. Die Schwingungen der Systeme umfassen Umfangsschwingungskomponenten 6A und 6b relativ zum Schwerpunkt GO.
Die Umfangsschwingungskomponente ist eine Schwingungskomponente innerhalb der spezifizierten Ebene in der Umfangsrichtung, also entlang eines Kreises mit dem Schwerpunkt GO als dessen Mittelpunkt. Die radiale Schwingungskomponente ist eine Schwingungskomponente in Radialrichtung relativ zum Schwerpunkt GO der Schwerkraft innerhalb der spezifizierten Ebene, also eine Schwingungskomponente welche sich dem Schwerpunkt GO annähert und sich wiederum von diesem entfernt.
Alle oben genannten ersten und zweiten Schwingungssysteme sind miteinander mithilfe von jedem beliebigen Verbindungsabschnitt verbunden, um einen sich innerhalb der spezifizierten Ebene erstreckenden Schwinger auszubilden. Ein solcher Schwinger wird einer Drehung um die Drehachse „Z" gemäß Pfeil "ω" unterworfen, um die Drehwinkelgeschwindigkeit zu detektieren.
Wenn Subschwinger 3A und 3B in ersten Schwingungssystemen 1A und 1B als Ansteuersubschwinger verwendet werden, werden beispielsweise die Radialschwingungskomponenten 5A und 5B als Ansteuerschwingungen verwendet und der Schwinger wird einer Drehung unterzogen, wobei die Coriolis-Kraft 7A auf den Schwinger ausgeübt wird, um Umfangsschwingungskomponenten 6A und 6B innerhalb des Subschwingers 4A und 4B im zweiten Schwingungssystem 2A und 2B zu bewirken. Die Schwingungskomponenten 6A und 6B können detektiert werden, um deren Anzeige zu erhalten, welche als Basis zur Berechnung einer Drehwinkelgeschwindigkeit dienen kann.
Wenn die Subschwinger 4A und 4B in zweiten Schwingungssystemen als Ansteuersubschwinger und die Umfangsschwingungskomponenten 6A und 6B als Ansteuerschwingungen verwendet werden, wird die Coriolis-Kraft 7B auf den Schwinger zur Induktion der Radialschwingungskomponenten 5A und 5B im Inneren des Subschwingers 3A und 3B im ersten Schwingungssystem 1A und 1B ausgeübt. Die Schwingungskomponenten 5A und 5B können detektiert werden, um deren Anzeige zur erhalten, welche als Basis zur Berechnung einer Drehwinkelgeschwindigkeit dienen kann.
Gemäß dem Schwinger und dem Schwingkreisel der Erfindung werden eine Ansteuerschwingung und eine Detektionsschwingung in einer spezifizierten Ebene erzeugt und die Erfindung kann eine Drehwinkelgeschwindigkeit mit einer ausreichend hohen Empfindlichkeit detektieren, ohne dass, im Falle des Einrichtens des Schwingers, ein Vorsprung mit einem bestimmten Gewicht, welcher vom Schwinger in Richtung der Drehachse vorsteht, bereitgestellt wird, so dass die Biegeschwingungsstücke des Schwingers sich senkrecht zur Drehachse erstrecken.
In bisher unbekannten Schwingkreiseln kann ferner eine in einem Ansteuerschwingungsarm erzeugte Ansteuerschwingung einige Einflüsse auf einen Detektionsarm als dessen Deformation induzieren, um dabei das Rauschen in einem im Detektionsarm angeregten Detektionssignal zu erzeugen. Der Schwinger der Erfindung umfasst jedoch Ansteuer- und Detektionsschwingungssysteme, die sich beide vom Schwerpunkt des Schwingers radial so wegerstrecken, dass die im Schwinger induzierte Ansteuerschwingung das Detektionsschwingungssystem kaum beeinflusst. Das bedeutet, die Ansteuerschwingung wird gedämpft oder aufgehoben, um den Einfluss der Ansteuerschwingung auf das Detektionsschwingungssystem zu verringern, so dass das Rauschen, das unvermeidlicherweise im Detektionssignal induziert wurde, verhindert oder vermieden werden kann. Diese unvermeidbaren und inhärenten Probleme von Schwingkreiseln können durch die Erfindung gelöst werden.
Wie in den Schwingern von 1 oder 6 zu sehen, werden beispielsweise Radialschwingungskomponenten 5A und 5B, die innerhalb von ersten Schwingungssystemen 1A und 1B induziert werden, als Ansteuerschwingungen verwendet. Erste Schwingungssysteme sind in miteinander nach der Drehung der Positionen um den Schwerpunkt GO identischen Positionen bereitgestellt, so dass alle Ansteuerschwingungen, die in jedem Ansteuerschwingungssystem induziert wurden, sich gegenseitig aufheben. Der Einfluss der auf die zweiten Schwingungssysteme zur Detektion ausgeübten Ansteuerschwingung kann verringert werden.
Daher kann dieser Schwinger eine Vielzahl an ersten Schwingungssystemen umfassen, deren Positionen nach der Drehung derselben um den Schwerpunkt GO im Wesentlichen identisch sind. Wie in den 1 und 6 abgebildet, werden beispielsweise die ersten Schwingungssysteme 1A und 1B in Positionen bereitgestellt, die um den Schwerpunkt GO herum zweizählig symmetrisch sind.
Ferner kann vorzugsweise eine Vielzahl an zweiten Schwingungssystemen bereitgestellt sein, deren Positionen nach dem Drehen derselben um den Schwerpunkt GO herum im Wesentlichen identisch sind. Wie in den 1 und 6 zu sehen, werden die zweiten Schwingungssysteme 2A und 2B in Positionen bereitgestellt, die um den Schwerpunkt GO zweizählig symmetrisch sind.
Der Ausdruck „Schwingungssysteme sind in Positionen bereitgestellt, die um den Schwerpunkt GO zweizählig symmetrisch sind" bedeutet, dass die angrenzenden Schwingungssysteme in einem vorbestimmten Winkel um den Schwerpunkt GO in der spezifizierten Ebene angeordnet sind. Wenn ein Schwingungssystem in einem vorbestimmten Winkel um den Mittelpunkt der Schwerkraft in der spezifizierten Ebene gedreht wird, wird somit das gedrehte System in einer Position angeordnet, in der ein angrenzendes Schwingungssystem bereitgestellt ist. In den 1 und 6 sind beispielsweise erste Schwingungssysteme 1A in einer Position bereitgestellt, die sich um 180° von einer Position des Systems 1B entfernt befindet und nach der Drehung um 180° der Position des Systems 1B identisch ist.
Die Schwingungssysteme werden vorzugsweise in Positionen bereitgestellt, die zweizählig-, dreizählig- oder vierzählig-symmetrisch relativ zum Schwerpunkt GO sind. Wenn Ansteuersysteme entweder erste oder zweite Schwingungssysteme umfassen, kann sich eine Vielzahl an Ansteuerschwingungssystemen in Positionen befinden, die nach der Drehung derselben um den Schwerpunkt GO miteinander im Wesentlichen identisch sind, um den Einfluss auf die relativ kleine Detektionsschwingung zu reduzieren, wodurch die Wirkungen der Erfindung verbessert werden.
Insbesondere der Schwerpunkt GD der gesamten Schwingung in den Ansteuerschwingungssystemen (beispielsweise den ersten Schwingungssystemen) kann vorzugsweise innerhalb eines Bereichs nahe des Schwerpunkts GO angeordnet sein, um den Einfluss auf die Detektionsschwingungssysteme (beispielsweise die zweiten Schwingungssysteme) zu verringern. Wie schematisch in 6 dargestellt, bedeutet dies, dass, wenn Schwingungen in den Subschwingern 3A und 3B in den Schwingungssystemen 1A und 1B Radialschwingungskomponente 5A und 5B umfassen, die Komponenten sich in entgegengesetzten Phasen befinden, um die Komponenten 5A und 5B gegenseitig aufzuheben.
Der Ausdruck „Der Schwerpunkt GD ist innerhalb eines Bereichs nahe des Schwerpunkts GO des Schwingers angeordnet" umfasst, dass der Schwerpunkt GD im Wesentlichen auf dem Schwerpunkt GO vorhanden sein kann oder innerhalb eines Kreises mit GO als dessen Mittelpunkt und einem Durchmesser von 1 mm angeordnet sein kann.
Wenn im Schwingkreisel der Erfindung eines der ersten und zweiten Schwingungssysteme ein Ansteuerschwingungssystem ist, ist das andere ein Detektionsschwingungssystem. Insbesondere der Schwinger der Erfindung kann eine Vielzahl an Ansteuerschwingungssystemen enthalten, in denen ein Ansteuerschwingungssystem in einer Position angeordnet ist, die sich um 90° von dem angrenzenden Ansteuerschwingungssystem entfernt befindet, und ein Detektionsschwingungssystem oder -systeme können vorzugsweise zwischen den angrenzenden Ansteuerschwingungssystemen bereitgestellt sein. Die Ansteuerschwingungen in den Ansteuerschwingungssystemen heben sich gegenseitig auf, um den Einfluss auf das Detektionsschwingungssystem zu verringern.
Während der Schwinger der Erfindung eine Vielzahl an Schwingungssystemen umfasst, die sich in einer spezifizierten Ebene erstrecken, kann die Vielzahl an Schwingungssystemen tatsächlich innerhalb eines plattenförmigen Zwischenraums mit einer Dicke von 1 mm, einschließlich der spezifizierten Ebene, bereitgestellt sein. Ferner können die Abschnitte, mit Ausnahme der Vielzahl an Schwingungssystemen des Schwingers, von der spezifizierten Ebene oder dem oben erwähnten Zwischenraum vorstehen, obwohl die Gesamtheit des Schwingers vorzugsweise in einer spezifizierten Ebene ausgebildet sein kann.
Ein Winkel in einer spezifizierten Ebene und eine Drehachse können vorzugsweise 60 bis 120°, noch bevorzugter 85 bis 95° betragen und besonders bevorzugt im rechten Winkel sein.
In der Erfindung sind die tatsächlichen Formen und Gestaltungsarten oder Komponenten erster und zweiter Schwingungssysteme nicht eingeschränkt. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst jedes Schwingungssystem in seinem Inneren ein oder mehrere Biegeschwingungsstücke. Unter Bezug auf die 2 bis 5 werden Ausführungsformen beschrieben, die vor allem solche Stücke verwenden.
In 2(a) werden Biegeschwingungsstücke 13A und 13B in den ersten Schwingungssystemen 1A und 1B als Subschwinger 3A bzw. 3B bereitgestellt (siehe 1). Das Biegeschwingungsstück der vorliegenden Erfindung umfasst einen Befestigungsabschnitt 8 in seinem Mittelabschnitt und freie Enden 9 an beiden Seiten desselben. Folglich schwingen die freien Enden jedes Stücks 13A oder 13B um den Befestigungsabschnitt 8. Von den Schwingungen der Stücke 13A und 13B werden die Radialschwingungskomponenten 5A und 5B verwendet.
In 2(b) werden Biegeschwingungsstücke 23A und 23B in ersten Schwingungssystemen 1A und 1B bereitgestellt. Die Biegeschwingungsstücke dieser Ausführungsform umfassen beide Endabschnitte, die mit den Befestigungsabschnitten 8 verbunden und an diesen fixiert sind. Folglich schwingen vor allem die Mittelabschnitte jedes Stücks 23A oder 23B.
In 3 werden Biegeschwingungsstücke 33A bzw. 33B in den ersten Schwingungssystemen 1A und 1B bereitgestellt. Der Schwinger umfasst ein fixiertes und ein nicht fixiertes Ende. Folglich schwingen vor allem die anderen Enden der Stücke 33A und 33B. Die Phasen und Amplituden der Schwingungen in den Stücken 33A und 33B und die Positionen der freien Enden sind so gestaltet, dass sich die Schwingungen in den Stücken 33A und 33B gegenseitig aufheben.
Während in 1 die ersten Schwingungssysteme 1A und 1B beschrieben werden, sind in 4(a) die Biegeschwingungsstücke 14A bzw. 14b in den zweiten Schwingungssystemen 2A und 2B bereitgestellt. Die Biegeschwingungsstücke der Ausführungsform umfassen einen Befestigungsabschnitt 8 in einem dem Schwerpunkt BO nahen Ende und das andere, dem Schwerpunkt GO entfernt liegende Ende ist nicht fixiert. Folglich schwingt das Ende jedes Stücks 14A oder 14B nahe des Schwerpunkts GO in der Umfangsrichtung um den Mittelpunkt.
Während in 1 die ersten Schwingungssysteme 1A und 1B beschrieben sind, sind in 4(b) die Biegeschwingstücke 24A und 24B in den zweiten Schwingungssystemen 2A und 2B bereitgestellt. Jedes Biegeschwingungsstück umfasst einen Befestigungsabschnitt 8 in einem vom Schwerpunkt GO entfernten Ende und das andere, dem Schwerpunkt GO nahe liegende Ende ist nicht fixiert. Folglich schwingt vor allem das Ende jedes Stücks 24A oder 24B nahe des Schwerpunkts GO. Während die Schwingungen im Wesentlichen die Umfangsschwingungskomponenten 6A und 6B umfassen, umfassen sie auch Radialschwingungskomponenten.
In 5(a) sind die Biegeschwingungsstücke 34A bzw. 34B in den zweiten Schwingungssystemen 2A und 2B bereitgestellt. Das Biegeschwingungsstück der Ausführungsform umfasst einen Befestigungsabschnitt 8 in dessen Mittelabschnitt und beide Enden sind nicht fixiert. Folglich schwingen beide Enden des Biegeschwingungsstücks 34A und 34B in Richtung der Pfeile 6A, 6B, 6C und 6D.
In 5(b) umfassen die zweiten Schwingungssysteme 2A und 2B die Biegeschwingungsstücke 44A bzw. 44B. Das Biegeschwingungsstück der Ausführungsform umfasst beide Enden, die mit Befestigungsabschnitten 8 fixiert sind. Folglich schwingt vor allem der Mittelabschnitt jedes Stücks 44A oder 44B.
Während in 1 der Mittelpunkt der Drehung O (ein Schnittpunkt einer Drehachse und einer spezifizierten Ebene) mit dem Schwerpunkt GO des Schwingers und dem Schwerpunkt GD der Gesamtansteuerschwingung in einer identischen Position ist, ist der Mittelpunkt der Drehung O in den Schwingern der 2 bis 6 nicht abge bildet. Der Grund dafür wird unten stehend näher erläutert. Wenn der Mittelpunkt der Drehung O sich nicht an einer Position des Schwerpunkts GO des Schwingers befindet und sogar wenn der Mittelpunkt der Drehung O sich außerhalb des Schwingers befindet, kann der Schwinger der Erfindung auch als Schwingkreisel der Erfindung verwendet werden. Wenn der Schwinger gedreht wird, ist daher eine Verschiebung jedes Abschnitts des Schwingers, dessen Mittelpunkt der Drehung O nicht mit dem Schwerpunkt GO ident ist, eine Vektorsumme einer Verschiebung jedes Abschnitts des Schwingers, dessen Mittelpunkt der Drehung O mit dem Schwerpunkt GO identisch ist (die Verschiebung wird durch die Drehung bewirkt) und eine Verschiebung wird aufgrund von Translationsbewegungen jedes Abschnitts desselben hervorgerufen. Die Coriolis-Kraft wirkt sich aufgrund von Translationsbewegungen auf die Verschiebung aus und induziert keine Auswirkungen auf die Detektion einer Drehwinkelgeschwindigkeit durch den Schwingkreisel.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt einen Schwinger bereit, der einen Basisabschnitt und eine Vielzahl an voneinander getrennten Schwingungssystemen umfasst, wobei sich jedes System radial vom Umfangsabschnitt des Basisabschnitts erstreckt, worin der Basisabschnitt und die Schwingungssysteme sich in einer spezifizierten Ebene erstrecken. Als Alternative dazu befindet sich der Schwerpunkt GO des Schwingers in einem Basisabschnitt und vorzugsweise in einem des ersten oder zweiten Schwingungssystems vom Basisabschnitt, wobei sich in diesem Fall erste und zweite Schwingungssysteme vom Basisabschnitt aus radial erstrecken können.
Diese Ausführungsformen werden unten stehend unter Bezug auf 7 erläutert, in der 11 ein Basisabschnitt ist und die ersten Schwingungssysteme 1A und 1B und die zweiten Schwingungssysteme 2A und 2B radial vom Umfangsteil 11a des Basisabschnitts 11 vorstehen.
In der Ausführungsform erstrecken sich Schwingungssysteme vom Umfangsteil des Basisabschnitts. Die Schwingungssysteme erstrecken sich jedoch nicht notwendigerweise radial relativ zum Mittelpunkt des Basisabschnitts und können sich vom Umfangsteil des Basisabschnitts vom Schwerpunkt GO weg erstrecken.
Beispielsweise umfassen erste Schwingungssysteme einen Lagerabschnitt, der vom Umfangsteil des Basisabschnitts vorsteht und ein Biegeschwingungsstück oder Biegeschwingungsstücke, die sich in einer den Lagerabschnitt schneidenden Richtung erstrecken. Das zweite Schwingungssystem umfasst ein Biegeschwingungsstück oder Biegeschwingungsstücke, die vom Umfangsteil des Basisabschnitts radial vorstehen. Ein Gewicht kann in den Biegeschwingungsstücken zur Verringerung der Gesamtlänge des Stücks bereitgestellt sein.
Ferner kann der hier erläuterte Schwinger einen Rahmenabschnitt umfassen, in dem ein hohler Abschnitt ausgebildet ist, und zumindest eines der Ansteuerschwingungssysteme oder der Detektionsschwingungssysteme erstreckt sich von der Innenoberfläche des hohlen Abschnitts. 8 bis 10 beziehen sich auf diese Ausführungsform.
In 8 ist ein Basisabschnitt 11 in einem hohlen Abschnitt 70 im Inneren eines Rahmenabschnitts 19 bereitgestellt. Zweite Schwingungssysteme 2A und 2B stehen von dem Rahmenabschnitt 19 in Richtung des Basisabschnitts 11 vor und erste Schwingungssysteme 1A und 1B erstrecken sich vom Umfangsteil des Basisabschnitts 11 vom Schwerpunkt GO weg.
In 9 ist ein Basisabschnitt 11 in einem hohlen Abschnitt 70 im Inneren eines Rahmenabschnitts 19 bereitgestellt. Erste Schwingungssysteme 1A und 1B stehen vom Rahmenabschnitt 19 in Richtung des Basisabschnitts 11 vor und zweite Schwingungssysteme 2A und 2B erstrecken sich vom Umfangsteil des Basisabschnitts 11 weg vom Schwerpunkt GO.
In 10 ist der Basisabschnitt 11 nicht im hohlen Abschnitt 70 im Inneren des Rahmenabschnitts 19 bereitgestellt. Erste Schwingungssysteme 1A und 1B und zweite Schwingungssysteme 2A und 2B stehen in Richtung des Schwerpunkts GO im Inneren des Rahmenabschnitts 19 vor.
Das Verhältnis zwischen jeder der Radialschwingungskomponente und der Umfangsschwingungskomponente der in jedem Schwingungssystem induzierten Schwingung ist vorzugsweise wie folgt.

(A) Das Verhältnis zwischen Amplituden der Radialschwingungskomponente und der Umfangsschwingungskomponente im ersten Schwingungssystem kann vorzugsweise 1:0 bis 3 sein, bevorzugterweise 1:0 bis 1, und das Verhältnis zwischen Amplituden der Radialschwingungskomponente und der Umfangsschwingungskomponente im zweiten Schwingungssystem kann vorzugsweise 0 bis 1:5 und bevorzugterweise 0 bis 1:10 sein, vorausgesetzt, dass jede Amplitude der Radialschwingungskomponente oder der Umfangsschwingungskomponente in jedem Schwingungssystem gemessen wird, ohne die Schwingungskomponenten mit inversen Phasen, die in jeder Schwingungskomponente vorliegen, auszulöschen.
(B) Das Verhältnis zwischen Amplituden der Radialschwingungskomponente und der Umfangsschwingungskomponente im ersten Schwingungssystem kann vorzugsweise 5:0 bis 1 und bevorzugterweise 10:0 bis 1 sein und das Verhältnis zwischen Amplituden der Radialschwingungskomponente und der Umfangsschwingungskomponente im zweiten Schwingungssystem kann vorzugsweise 0 bis 1:5 und bevorzugterweise 0 bis 1:10 sein, vorausgesetzt, dass jede Amplitude der Radialschwingungskomponente oder der Umfangsschwingungskomponente in jedem Schwingungssystem nach dem Auslöschen der Schwingungskomponenten mit entgegengesetzten Phasen, die in jeder Schwingungskomponente vorhanden sind, gemessen wird.

Die spezifischen Beispiele der Erfindung werden unten stehend näher erläutert.
Da die Verschiebung des Schwingers der Erfindung in der spezifizierten Ebene auftritt, kann der gesamte Schwinger aus demselben piezoelektrischen Einkristall sein. In diesem Fall kann der gesamte Schwinger durch Herstellung einer dünnen Platte aus Einkristall und durch Verarbeitung dieser Platte mithilfe von Ätz- und Schleifmitteln erzeugt werden. Jeder Abschnitt des Schwingers kann der unterschiedliche, zu sammengefügte Teil sein, um diesen auszubilden, obwohl der gesamte Schwinger vorzugsweise ein einstückiger Körper ist.
Wenn der Schwinger durch einen Ätzvorgang aus einer dünnen Platte ausgebildet wird, beispielsweise aus einer dünnen Platte aus piezoelektrischem Einkristall, wie etwa Quarz, kann ein Vorsprung in einer bestimmten Form, wie etwa ein länglicher Vorsprung, auf der Oberfläche jedes Bestandteils, beispielsweise als ein Biegeschwingungsstück, des Schwingers ausgebildet sein. Solche Vorsprünge können die symmetrische Form der Gestaltung des Schwingers ändern. Derartige Vorsprünge können jedoch im Schwinger vorliegen. Die Höhe des Vorsprungs kann vorzugsweise niedriger, beispielsweise nicht höher als 1/5 der Breite des Bestandteils mit dem ausgebildeten Vorsprung, sein, was im Allgemeinen im Wesentlichen keine gegenteiligen Auswirkungen hervorruft. Dies trifft dann zu, wenn ein die symmetrische Gestaltung veränderter anderer Abschnitt, der vom Vorsprung verschieden ist, im Schwinger besteht, welcher Abschnitt während anderer Vorgänge entstanden sein kann, die sich vom Ätzvorgang unterscheiden.
Wenn die Abschnitte, wie etwa Vorsprünge, im Inneren eines Schwingers vorliegen, kann ein Teil des Vorsprungs entfernt sein oder die anderen Abschnitte des Schwingers können mithilfe von Laserverarbeitung entfernt werden, so dass die Form des Schwingers angepasst werden kann und der Schwerpunkt des gesamten Ansteuerschwingungsstücks im Inneren eines Bereichs in der Nähe des Schwerpunkts des Schwingers befindlich ist.
Obwohl keine Materialeinschränkungen für den Schwinger vorliegen, ist die Verwendung eines Einkristalls aus Quarz, LiNbO₃, LiTaO₃, eines Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Mischkristalls (Li(Nb, Ta)O₃, Langasit und Lithiumtetraborat vorzuziehen.
Aus den oben erwähnten Einkristallen weisen besonders die Einkristalle LiNbO₃, LiTaO₃ und ein Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Mischkristall hohe elektromechanische Kopplungskoeffizienten auf. Durch Vergleichen der Einkristalle von LiNbO₃ und Li TaO₃ miteinander lässt sich feststellen, dass der Einkristall LiTaO₃ eine bessere Wärmestabilität als LiNbO₃ hat.
Durch die Verwendung solcher piezoelektrischer Einkristalle kann die Empfindlichkeit verbessert und das Detektionsrauschen verringert werden. Da ein Einkristall besonders unempfindlich auf Temperaturänderungen reagiert, ist er für einen Sensor geeignet, der in einem Fahrzeug eingesetzt wird, dessen Sensor Wärmestabilität benötigt. Der Grund dafür wird unten stehend näher erläutert.
Als ein einen Stimmgabel-Schwinger verwendender Winkelgeschwindigkeitssensor wird beispielsweise ein piezoelektrischer Schwingkreisel in der oben erwähnten offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Tokkaihei Nr. 8-128833 offenbart. In einem solchen Schwinger schwingt der Schwinger jedoch in zwei Richtungen. Daher ist es besonders im Falle des Ausbildens des Schwingers aus einem oben erwähnten Einkristall notwendig, dass die Eigenschaften des Einkristalls in zwei Richtungen miteinander übereinstimmen. In der Praxis ist jedoch ein piezoelektrischer Einkristall anisotrop.
Im Allgemeinen ist es zur Aufrechterhaltung der guten Empfindlichkeit in einem piezoelektrischen Schwingkreisel nötig, dass eine konstante Schwingungsfrequenzdifferenz zwischen den Eigen-Resonanzfrequenzen eines Ansteuerschwingungsmodus und eines Detektionsschwingungsmodus aufrechterhalten bleibt. Ein Einkristall ist jedoch anisotrop und ein Variationsgrad in der Schwingungsfrequenz aufgrund einer Temperaturveränderung variiert mit der Kristallfläche. Obwohl die Schwankung der Schwingungsfrequenz sehr empfindlich auf Temperaturänderungen im Falle des Einkristall-Schnitts entlang einer spezifischen Kristallfläche reagiert, reagiert beispielsweise die Schwankung der Schwingungsfrequenz sehr empfindlich auf eine Temperaturänderung im Falle des Einkristall-Schnitts entlang einer anderen Kristallfläche. Wenn daher ein Schwinger in zwei Richtungen schwingt, ist zumindest eine der beiden schwingenden Flächen eine Kristallfläche, die eine hohe Schwankung der Schwingungsfrequenz aufweist, welche durch eine Temperaturveränderung hervorgerufen wird.
Demgegenüber wird, wie durch die Erfindung dargestellt, durch Schwingen des gesamten Schwingers in einer spezifischen Ebene und durch Ausbilden des Schwingers aus einem piezoelektrischen Einkristall es möglich, dass Beeinflussungen des Schwingers durch die Anisotropie eines Einkristalls, wie oben beschrieben, verhindert wird und nur die beste Einkristallfläche mit den Charakteristika des Einkristalls im Schwinger eingesetzt wird.
Genauer gesagt, da jede Schwingung eines Schwinger in einer einzigen Ebene stattfindet, ist es möglich, einen Schwinger unter Verwendung einer einzigen Kristallfläche mit wenig Schwingungsfrequenzschwankung herzustellen, welche durch eine Temperaturänderung eines Einkristalls hervorgerufen wird. Daher ist die Bereitstellung eines Schwingkreisels mit sehr hoher Wärmestabilität möglich.
Wenn der Schwinger der Erfindung durch ein piezoelektrisches Material ausgebildet wird, werden im Schwinger eine Ansteuer- und eine Detektionselektrode ausgebildet. Solches Material umfasst piezoelektrische Keramik, wie etwa Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Relaxer-Verbindungen (allgemeiner Ausdruck: Pb(A1/3B2/3)O₃, wo A Cd, Zn, Mg oder Ähnliches und B Nb, Ta, W oder Ähnliches ist), also andere Materialen als der piezoelektrische Einkristall.
Der Schwinger der Erfindung kann durch ein gleichbleibend elastisches Metall, wie etwa Elinvarlegierung, ausgebildet werden. In diesem Fall sind piezoelektrische Körper auf vorbestimmten Positionen des Schwingers bereitgestellt.
11 ist eine grobe Draufsicht zur Darstellung eines Schwingkreisels, der mit einem aus piezoelektrischem Einkristall gemäß dieser Ausführungsform hergestellten Schwinger bereitgestellt ist. Ein Basisabschnitt 11A liegt in Form eines vierzählig symmetrischen Quadrats mit dem Schwerpunkt GO des Schwingers als Mittelpunkt vor. Zwei Ansteuerschwingungssysteme 1A, 1B (erste Schwingungssysteme in diesem Beispiel) und zwei Detektionsschwingungssysteme 2A, 2B (zweite Schwingungssysteme in diesem Beispiel) stehen von dem Umfangsteil 11a des Basisabschnitts 11A in vier Richtungen radial vor und die jeweiligen Schwingungssysteme sind voneinander getrennt. Die Schwingungssysteme 1A und 1B sind mit dem Schwerpunkt GO als Mittelpunkt zweizählig symmetrisch und die Detektionsschwingungssysteme 2A und 2b sind mit dem Schwerpunkt GO als Mittelpunkt zweizählig symmetrisch.
Die Systeme 1A und 1B sind mit Trageabschnitten 12A und 12B bereitgestellt, die von dem Umfangsteil 11a des Basisabschnitts 11A vorstehen, und erste Biegeschwingungsstücke 13C und 13D erstrecken sich von den oberen Enden 12b der Trageabschnitte 12A und 12B senkrecht zu den Trageabschnitten. Die Biegeschwingungsstücke 13C und 13D sind, wie in 2(a) abgebildet, in den Mittelpunkten festgelegt und liegen an beiden Enden in einem freien Zustand vor. Die ersten Biegeschwingungsstücke bestehen jeweils aus den Biegeschwingungsstücken 16A und 16B sowie 16C und 16D. Jedes Biegeschwingungsstück ist mit Ansteuerelektroden 15A und 15B bereitgestellt. Die Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B umfassen lange und schmale Umfangs-Biegeschwingungsstücke 14C und 14D (siehe 4(a)) und diese Biegeschwingungsstücke sind jeweils mit Detektionselektroden 89A und 89B bereitgestellt.
12 zeigt einen Ansteuermodus der Ansteuerschwingung in diesem Schwinger. Die jeweiligen Biegeschwingungsstücke biegeschwingen in der Umgebung der oberen Enden 12b der Lagerabschnitte 12A und 12B um diese herum.
13 zeigt einen Detektionsschwingungsmodus in diesem Schwinger. Die Lagerabschnitte 12A und 12B biegeschwingen entlang des Umfangs um die Befestigungsabschnitte 12a und die Biegeschwingungsstücke 14C und 14D des Detektionsschwingungssystems biegeschwingen in Übereinstimmung mit diesem.
Die Erfinder wandten eine Eigenschwingungsanalyse mittels eines Finite-Element-Verfahrens am Schwinger von 11 an, um eine Beeinflussung des Ansteuerschwingungsmodus und des Detektionsschwingungsmodus auf den gesamten Schwinger zu überprüfen. Sie erzeugten einen Schwinger aus Quarz und erhielten eine Verteilung der Schwingungsamplitudenverhältnisse der jeweiligen Schwingerpunkte zur Maximalschwingungsamplitude desselben.
12 zeigt das relative Verhältnis der Schwingungsamplitude an jedem Punkt im Schwinger zur Maximalschwingungsamplitude in einem Ansteuerschwingungsmodus und 13 zeigt das relative Verhältnis der Schwingungsamplitude jedes Punkts im Schwinger zur Maximalschwingungsamplitude in einem Detektionsschwingungsmodus. In den 12 und 13 weisen die jeweiligen Bereiche voneinander verschiedene Farben auf, deren Farben die oben erwähnten Verhältnisse in einem Bereich darstellen. Orange steht für den Bereich mit der kleinsten Amplitude.
In Übereinstimmung mit 12 wird eine Zugbeanspruchung in der Nähe des Befestigungsabschnitts 12a jedes Trageabschnitts 12A und 12B am Basisabschnitt 11A durch Schwingen jedes Ansteuerschwingungssystems angelegt und die Transformation ist ersichtlich. Da die Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B jedoch an zweizählig symmetrischen Positionen angeordnet sind, heben sich die Einflüsse dieser Transformation im Basisabschnitt gegenseitig auf. Daher ist nahe des Mittelpunkts des Basisabschnitts und in den Detektionsschwingungssystemen 2A und 2B, die sich zwischen den Ansteuerschwingungssystemen befinden, keine Beeinflussung durch die Ansteuerschwingung erkennbar.
In Übereinstimmung mit 13 heben sich die durch die Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B auf den Basisabschnitt ausgeübten Einflüsse gegenseitig auf. Da sich die Detektionsschwingungssysteme an zweizählig symmetrischen Positionen befinden, heben sich die durch die Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B auf den Basisabschnitt ausgeübten Einflüsse ebenfalls gegenseitig auf. Daher kann keine Beeinflussung durch die Detektionsschwingung in der Nähe des Mittelpunkts 21A des Basisabschnitts festgestellt werden (siehe 11 und 13).
In dem Schwingkreisel gemäß der Erfindung wird daher der Schwinger gelagert und in dem Bereich fixiert, in dem die Detektionsschwingung der Ansteuerschwingung die kleinste Amplitude aufweist. Dadurch tritt die durch die Coriolis-Kraft erzeugte Detek tionsschwingung tatsächlich ohne Verringerung derselben auf und dann wird der Q-Wert der Detektionsschwingung höher und die Empfindlichkeit des Schwingers wird höher. Da die durch die Coriolis-Kräfte erzeugte Detektionsschwingung eine kleine Amplitude aufweist, ist der Schwinger besonders effektiv, wenn er in einem Bereich, in dem die Detektionsschwingungsamplitude am kleinsten ist, aus Gründen der Erhöhung der Empfindlichkeit unterstützt wird.
In diesem Beispiel, befinden sich ferner die Bereiche, in denen Amplituden der Ansteuerschwingung und der Detektionsschwingung am kleinsten sind, am Mittelabschnitt des Basisabschnitts, wie etwa 21A in 11, wie in den 12 und 13 gezeigt. Aus diesem Grund wird dieser Bereich 21A gelagert und fixiert. In diesem Fall ist ein konkretes Verfahren des Lagerns des Schwingers keinen besonderen Einschränkungen unterworfen und jedes dafür verwendbares Lager- und Befestigungsmittel kann eingesetzt werden.
Als Verfahren des Anhaftens eines piezoelektrischen Elements kann etwa jedes bekannte Anhaftungsverfahren verwendet werden. Als Beispiel dafür kann der Schwinger durch Ausbilden eines vorbestimmten Lochs 20A in dem Bereich 21A und Einführen eines Trageelements in das Trageloch 20A befestigt werden. Beispielsweise steht das Trageelement von einer Einspannvorrichtung zum Tragen des Schwingers vor und wird in das Trageloch 20A eingeführt, wodurch der Schwinger befestigt werden kann. Wenn das Trageelement in das Trageloch eingeführt und befestigt wird, wird eine metallisierte Schicht auf einer Oberfläche des Trageelements ausgebildet und eine weitere metallisierte Schicht wird, wenn nötig, auf einer Innenumfangsoberfläche ausgebildet und dann wird Weich- oder Hartlöten zwischen dem Trageelement und der Oberfläche des Tragelochs angewendet. Als Alternative dazu wird Harz zwischen diesen aufgetragen.
In diesem Fall kann das Trageloch 20A den Schwinger penetrieren oder nicht penetrieren. Wenn das Trageloch 20A ein Penetrationsloch durch den Schwinger ist, kann das Trageelement durch das Trageloch 20A hindurch penetrieren, aber das Trageelement kann nicht durch diesen hindurch penetrieren.
Wenn das Trageloch nicht im Schwinger ausgebildet ist, kann das Trageelement durch Harz an die vordere oder hintere Oberfläche des Bereichs 21A des Schwingers gelötet oder angehaftet werden.
In dem Schwinger und dem Schwingkreisel gemäß diesem Beispiel befindet sich ferner, wie in den 11 und 12 zu sehen, der Schwerpunkt GO des Schwingers in einem Bereich, in dem die Amplitude des Schwingers in der Ansteuerschwingung klein ist. Der Ausdruck „Bereich, in dem die Amplitude des Schwingers in der Ansteuerschwingung klein ist" bezeichnet einen Bereich, in dem eine Amplitude 1/1000 oder weniger einer Maximalamplitude in der Ansteuerschwingung beträgt.
In dem Schwinger und dem Schwingkreisel gemäß diesem Beispiel befindet sich, wie in den 11 und 13 zu sehen, der Schwerpunkt GO des Schwingers in einem Bereich, in dem die Amplitude des Schwingers in der Detektionsschwingung klein ist. Der Ausdruck „ein Bereich, in dem die Amplitude des Schwingers in der Detektionsschwingung klein ist" bezeichnet einen Bereich, in dem eine Amplitude 1/1000 oder weniger einer Maximalamplitude in der Detektionsschwingung beträgt.
In den ersten Schwingungssystemen ist die Längsrichtung des Trageabschnitts vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung jedes Biegeschwingungsstücks, obwohl die Längsrichtung nicht notwendigerweise senkrecht zu einer Längsrichtung jedes Biegeschwingungsstücks ist.
14–18 sind grobe Draufsichten, die Schwinger und Schwingkreisel in den Ausführungsformen gemäß der Erfindung zeigen, in denen jedes Schwingungssystem von den Basisabschnitten vorsteht. In jeder dieser Ausführungsformen können bekannte Ansteuer- und Detektionsmittel zusätzlich zu den oben erwähnten Ansteuer- und Detektionselektroden als schwingungsanregende Mittel und Detektionsmittel (nicht abgebildet) angewendet werden.
Der Schwinger des in 14 abgebildeten Schwingkreisels verfügt über einen kreisförmigen Basisabschnitt 11B. Vier Ansteuersysteme 1A, 1B, 1C und 1D und zwei De tektionssysteme 2A und 2B stehen radial vom Umfangsteil 11a des Basisabschnitts 11B vor. Alle Schwingungssysteme sind voneinander unterteilt. Die Ansteuersysteme 1A, 1B, 1C und 1D sind vierzählig symmetrisch um den Schwerpunkt GO als Mittelpunkt angeordnet und die Detektionssysteme 2A und 2B sind zweizählig symmetrisch um den Schwerpunkt GO als Mittelpunkt angeordnet.
Jedes Ansteuerschwingungssystem ist mit einem Trageabschnitt 12A, 12B, 12C und 12D bereitgestellt, der vom Umfangsteil 11a des Basisabschnitts 11B in radialer Richtung vorsteht, sowie den Biegeschwingungsstücken 13C, 13D, 13E und 13F, die sich von der Oberseite 12b jedes Trageabschnitts in einer zum Trageabschnitt senkrechten Richtung erstrecken. Diese Biegeschwingungsstücke sind an den Mittelpunkten, wie in 2(a) dargestellt, verbunden und an beiden Enden frei. Jedes Biegeschwingungsstück ist aus Biegeschwingungsstücken 16A, 16B, 16C, 16D, 16E, 16G und 16H zusammengesetzt. Die Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B sind schmale und lange Umfangsrichtungs-Biegeschwingungsstücke 14C und 14D.
Im Schwingungsmodus der Ansteuerschwingung des Schwingers schwingt jedes Biegeschwingungsstück vor allem in Radialrichtung um den Endabschnitt 12b jedes Trageabschnitts. Im Schwingungsmodus der Detektionsschwingung des Schwingers biegeschwingt jeder der Trageabschnitte 12A, 12B, 12C und 12D in Umfangsrichtung, wie durch Pfeil C angezeigt, um den Befestigungsabschnitt 12a; in Übereinstimmung damit biegeschwingen die Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B, wie durch Pfeile 6A bzw. 6B angezeigt. Außerdem wird in 14 die Bewegung jedes Abschnitts durch eine schmale Linie angedeutet.
In diesem Fall zeigt 21B in 14 einen Bereich an, in dem ein Minimumamplitudenbereich in der Ansteuerschwingung einen Minimumamplitudenbereich in der Detektionsschwingung überlappt und besonders bevorzugt ist, dass der Bereich 21B in der oben genannten Weise getragen und befestigt wird.
In dem Schwinger des Schwingkreisels in 15 besteht ein Basisabschnitt 11C aus einem Mittelabschnitt 11d in Form eines gleichseitigen Dreiecks und aus quadrati schen Vorsprungsabschnitten 11a, 11b bzw. 11c, die mit jedem Stück des Mittelabschnitts 11d verbunden sind. Der Basisabschnitt 11C ist eine dreizählig symmetrische Form um den Schwerpunkt GO des Vibrators. Die drei Ansteuerschwingungssysteme 1A, 1B und 1C und die drei Detektionsschwingungssysteme 2A, 2B und 2C stehen von den Umfangsabschnitten 11e der Vorsprungsabschnitte 11a, 11b und 11c des Basisabschnitts 11C radial vor. Alle Schwingungssysteme liegen getrennt voneinander vor.
Die Ansteuerschwingungssysteme 1A, 1B und 1C sind um einen Punkt O dreizählig symmetrisch und die Detektionsschwingungssysteme 2A, 2B und 2C sind um den Schwerpunkt GO dreizählig symmetrisch. In dieser Ausführungsform erstreckt sich kein Detektionsschwingungssystem vom Schwerpunkt GO in regelmäßiger Radialrichtung, es erstreckt sich aber jedes Detektionsschwingungssystem fast radial vom Umfangsabschnitt 11e.
Im Ansteuerschwingungsmodus des Schwingers biegeschwingt jedes der Biegeschwingungsstücke 13C, 13D und 13E vor allem in Radialrichtung, wie durch einen Pfeil 5A angezeigt, um die Umgebung des oberen Abschnitts 12b jedes Trageabschnitts. Im Detektionsschwingungsmodus des Schwingers biegeschwingt jeder der Trageabschnitte 12A, 12B und 12C um den Befestigungsabschnitt 12a in Umfangsrichtung und als Reaktion darauf biegeschwingt jedes der Biegeschwingungsstücke 14C, 14D und 14E jedes Detektionsschwingungssystems, wie durch Pfeil F angezeigt.
Im Mittelabschnitt des Basisabschnitts 11C befindet sich ein Bereich 21C, in dem ein Minimumamplitudenbereich in der Ansteuerschwingung einen Minimumamplitudenbereich im Detektionsbereich überlappt. Das Tragen und die Befestigung des Bereichs 21C in der oben genannten Weise ist besonders bevorzugt. Beispielsweise wird ein Trageloch 20B im Bereich 21C ausgebildet und der Schwinger wird mithilfe des Tragelochs 20B, wie in der zuvor erwähnten Weise, getragen.
Ein Basisabschnitt 11D eines Schwingers in 16 ist ein vierzählig symmetrisches Quadrat und zwei Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B und zwei Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B stehen vom einem Umfangsteil 11a des Basisabschnitts radial vor. Alle Schwingungssysteme liegen getrennt voneinander vor.
Vier Tragelöcher 20C sind im Basisabschnitt 11D ausgebildet und zwischen vier Tragelöchern sind Verbindungsabschnitte 22 ausgebildet. Der Schwingungsmodus jedes Ansteuer- und Detektionsschwingungssystems ist wie oben beschrieben.
Ein Schwinger von 17 weist dieselbe Gestalt wie der Schwinger von 11 auf, außer, dass ein Rahmen 19 ausgebildet ist, der einen Basisabschnitt des Schwingers sowie die Ansteuer- und Detektionsschwingungssysteme des Schwingers umgibt. Die Innenumfangsoberfläche des Rahmens 19 ist mit vier Ecken eines Basisabschnitts 11A durch die Verbindungsabschnitte 25 verbunden. Der Schwingkreisel gemäß der Erfindung kann vorzugsweise in einem Abschnitt 21A oder Rahmen 19 getragen werden.
In einem Schwinger von 18 stehen zwei Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B und zwei Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B von einem Umfangsteil 11a des Basisabschnitts 11A in vier Richtungen radial vor und die Schwingungssysteme sind voneinander getrennt. Die Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B sind um einen Punkt O zweizählig symmetrisch und die Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B sind um den Schwerpunkt GO des Schwingers zweizählig symmetrisch.
Die Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B sind mit Trageabschnitten 12A und 12B bereitgestellt, die von dem Umfangsteil 11a des Basisabschnitts 11A vorstehen und die Biegeschwingungsstücke 13I und 13J erstrecken sich von der Oberseite 12b der Trageabschnitte in senkrechter Richtung zu den Trageabschnitten. Diese Biegeschwingungsstücke 13I und 13J sind an den Mittelpunkten verbunden, wie in 2(a) zu sehen. Jedes Biegeschwingungsstück besteht aus den Biegeschwingungsstücken 16I, 16J, 16K und 16L. Jedes Schwingungssystem ist mit Biegeschwin gungsstücken 27A und 27B oder 27C und 27C bereitgestellt, die sich jeweils in senkrechter Richtung zu jedem Radialrichtungs-Biegeschwingungsstück erstrecken.
Die Detektionsschwingungssysteme 2A und 2b bestehen jeweils aus schmalen und langen Umfangsrichtungs-Biegeschwingungsstücken 14E und 14F (siehe 4(a)) und jedes der Umfangsrichtungs-Biegeschwingungsstücke 14A und 14B ist mit Gewichtsabschnitten 26A und 26B bereitgestellt.
Der Modus der Ansteuerschwingung des Schwingers ist in 19(a) gezeigt. Jedes der Biegeschwingungsstücke 16I, 16J, 16K und 16L biegeschwingt, wie durch Pfeil 5A und 5B angezeigt, um die Umgebung eines oberen Abschnitts 12b und jedes der Biegeschwingungsstücke 27A, 27B, 27C und 27D biegeschwingt zur selben Zeit, wie durch Pfeil H angedeutet.
Der Ansteuerschwingungsmodus dieses Schwingers ist in 19 gezeigt. Die Trageabschnitte 12A und 12B schwingen in Biegebewegung in Umfangsrichtung um den Befestigungsabschnitt 12a. Als Reaktion auf diese Schwingung schwingen die Biegeschwingungsstücke 14E und 14F in Biegebewegung, wie durch die Pfeile 6C und 6D angezeigt. Ein Vorsprung 28 ist als ein Anpassungsteil bereitgestellt, welches einer Laserbearbeitung unterzogen werden kann, um die Frequenz der Ansteuerschwingung anzupassen.
Der den Schwinger bildende Schwingkreisel der Erfindung kann durch einen Silizium-Halbleiter-Verarbeitungsvorgang, wie er zur Erzeugung einer Mikromaschine aus Silizium verwendet wird, hergestellt werden und zwar mittels anderer als der oben beschriebenen piezoelektrischen Materialien und unveränderlich elastischen Metallen. In solchen Schwingkreiseln kann elektrostatische Kraft zur Ansteuerung des Schwingers verwendet werden.
Der in 20 abgebildete Schwinger wird durch ein Silizium-Halbleiterverfahren und durch Ausbilden eines länglichen Zwischenraums in einer Siliziumplatte hergestellt. Die Form des Schwingers selbst ist im Wesentlichen dieselbe wie in 11. Ein Ba sisabschnitt 11E des Schwingers weist eine quadratische Form auf, die um den Schwerpunkt GO vierzählig symmetrisch ist. Zwei Ansteuerschwingungssysteme 1A, 1B und die Detektionsschwingungssysteme 2A, 2B stehen in vier Richtungen von dem Umfangsteil 11a des Basisabschnitts 1E radial vor und sind voneinander unterteilt.
Die Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B umfassen Trageabschnitte 12A und 12B, die vom Umfangsteil 11a des Basisabschnitts vorstehen und die Biegeschwingungsstücke 13K und 13L erstrecken sich jeweils von der oberen Kante 12b des Trageabschnitts in einer zum Trageabschnitt senkrechten Richtung. Jedes Biegeschwingungsstück 13G oder 13L umfasst ein Biegeschwingungsstück 16M, 16N, 16P oder 16Q. Jedes Detektionsschwingungssystem 2A oder 2B umfasst jeweils das Umfangs-Biegeschwingungsstück 14G oder 14H.
Jede elektrostatische Ansteuerelektrode 30A, 30C, 30E oder 30G ist auf der Seite jedes Biegeschwingungsstücks 16M, 16N, 16P und 16Q bereitgestellt. Jede elektrostatische Ansteuerelektrode 30B, 30D, 30F oder 30H ist auf der Seite eines Rahmens 29 jedem Radial-Biegeschwingungsstück gegenüberliegend bereitgestellt. Die oben erwähnten Elektroden steuern jedes Biegeschwingungsstück elektrostatisch an.
Jede elektrostatische Detektionselektrode 31A oder 31C ist auf der Seite jedes Umfangs-Biegeschwingungsstücks 14G oder 14H bereitgestellt. Jede elektrostatische Detektionselektrode 31B oder 31D ist auf der Seite des Rahmens 29 jedem Umfangs-Biegeschwingungsstück gegenüberliegend bereitgestellt.
Ein dotierter Halbleiterbereich, der mit einem spezifischen Metall dotiert ist, kann im Schwinger anstelle der oben erwähnten Detektionselektrode bereitgestellt sein. Dieser dotierte Halbleiterbereich bildet eine piezoelektrische Widerstandsvorrichtung. Eine durch Ausübung eines Drucks auf jede der piezoelektrischen Widerstandsvorrichtungen in jedem Umfangs-Biegeschwingungsstück hervorgerufene Änderung des Widerstands wird gemessen und als Anzeige einer Drehwinkelgeschwindigkeit detektiert, wenn der Schwinger gedreht wird. 12a ist ein Befestigungsabschnitt des Trageabschnitts 12.
21 ist eine schematische Draufsicht, die einen Schwinger gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt. Ansteuerschwingungssysteme 1A, 1B und Detektionsschwingungssysteme 2A, 2B und deren Betrieb ähneln jenen den in 11 abgebildeten. Rahmenabschnitte 32A und 32B erstrecken sich von zwei Umfangsteilen 58a an dem Detektionsschwingungssystem-Seiten des Basisabschnitts 58 und jedes Detektionsschwingungssystem ist von jedem Rahmenabschnitt umgeben. Jeder Rahmenabschnitt ist mit Verbindungsabschnitten 32a, die sich parallel zu jedem Detektionsschwingungssystem erstrecken, und einem Tragerahmen 32b zum Tragen und Befestigen des Schwingers bereitgestellt. Ein Bereich mit der kleinsten Amplitude in einer Ansteuerschwingung und einer Detektionsschwingung in jedem der Rahmenabschnitte 32A, 32B wird getragen und befestigt.
22 zeigt das relative Verhältnis der Schwingungsamplitude jedes Punkts im Schwinger von 21 zur Maximalschwingungsamplitude in einem Ansteuerschwingungsmodus und 23 zeigt das relative Verhältnis der Schwingungsamplitude jedes Punkts im Schwinger zur Maximalschwingungsamplitude in einem Detektionsschwingungsmodus.
In Übereinstimmung mit 22 wird eine Zugbeanspruchung in der Umgebung des Befestigungsabschnitts 12a jedes Trageabschnitts 12A und 12B am Basisabschnitt 58 durch Schwingen jedes Ansteuerschwingungssystems angelegt und die Transformation ist erkennbar. Dieser Einfluss ist im Verbindungsabschnitt 32a des Rahmenabschnitts schwach erkennbar. Da sich diese Einflüsse gegenseitig aufheben, ist jedoch kein Einfluss durch die Ansteuerschwingung nahe des Mittelpunkts des Basisabschnitts und in jedem Biegeschwingungsstück 14C, 14D und in jedem Tragerahmen 32b des Rahmenabschnitts erkennbar.
In Übereinstimmung mit 23 heben sich durch die Ansteuerschwingungssysteme und die Detektionsschwingungssysteme auf den Basisabschnitt 58 ausgeübte Ein flösse gegenseitig auf und daraus ergibt sich, dass kein Einfluss durch die Detektionsschwingung in der Nähe 21A des Mittelpunkts des Basisabschnitts 58 gegeben ist. Zusätzlich dazu, kann der Bereich 21D auch getragen und fixiert werden, da der Bereich 21D im Tragerahmen 32b die kleinste Amplitude aufweist.
Im Schwinger und Schwingkreisel gemäß dieses Beispiels befindet sich der Schwerpunkt GO des Schwingers, wie in 21 und 22 abgebildet, innerhalb eines Bereichs mit der kleinsten Amplitude in der Ansteuerschwingung. Wie in den 21 und 23 dargestellt, befindet sich der Schwerpunkt GO des Schwingers innerhalb eines Bereichs mit der kleinsten Amplitude in der Detektionsschwingung.
24 ist eine perspektivische Ansicht zur schematischen Darstellung eines Schwingkreisels mit einem Schwinger einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Basisteil 11E weist eine rechteckige Form auf. Zwei Ansteuerschwingungssysteme 1A, 1B (erstes Schwingungssystem in dieser Ausführungsform) und Detektionsschwingungssysteme 2A, 2B (zweites Schwingungssystem) stehen vom Umfangsteil 11a des Basisabschnitts 11E radial vor und sind voneinander getrennt. Die Systeme 1A und 1B bzw. die Systeme 2A und 2B sind zweizählig symmetrisch um den Schwerpunkt GO des Schwingers angeordnet.
Die Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B umfassen Trageabschnitte 35, die vom Umfangsteil des Basisabschnitts vorstehen, und erste Biegeschwingungsstücke 23C und 23D, die sich in einer zum Trageabschnitt senkrechten Richtung erstrecken. Wie in 2(b) gezeigt, sind beide Enden jedes Biegeschwingungsstücks 23c oder 23D jeweils an einem Rahmen und einem Mittelabschnitt befestigt, die in einer relativ großen Amplitude schwingen. Vorzugsweise schwingen die Biegeschwingungsstücke derart, dass der Schwerpunkt der Gesamtschwingung der Schwingungsstücke 23C und 23D auf oder innerhalb eines Bereichs nahe des Schwerpunkts GO des Schwingers positioniert ist.
In einem in 25 gezeigten Schwinger stehen zwei Ansteuerschwingungssysteme 1A, 1B und zwei Detektionsschwingungssysteme 2A, 2B vom Umfangsteil des Ba sisabschnitts 11A vor und sind voneinander getrennt. Die Systeme 1A und 1B oder die Systeme 2A und 2B sind zweizählig symmetrisch um den Schwerpunkt GO des Schwingers angeordnet.
Die Systeme 1A und 1B umfassen Trageabschnitte 12A und 12B, die von dem Umfangsteil des Basisabschnitts vorstehen, und erste Biegeschwingungsstücke 13C und 13D, die sich jeweils in einer zum Trageabschnitt des Endes desselbigen senkrechten Richtung erstrecken (siehe 2). Jedes Biegeschwingungsstück 13C oder 13D umfasst Biegeschwingungsstücke 16A und 16B oder 16C und 16D. Erste Biegeschwingungsstücke 23C und 23D sind ferner außerhalb der oben genannten Biegeschwingungsstücke bereitgestellt (siehe 2). Die Biegeschwingungsstücke 13C und 13D sind mit 23C bzw. 23D verbunden, um Rahmen mit ausgebildeten Zwischenräumen 36 auszubilden. Die Mittelabschnitte der Stücke 23C und 23D schwingen in einer sehr großen Amplitude, angezeigt durch Pfeile 5A, 5B. In diesem Fall schwingen die Biegeschwingungsstücke derart, dass der Schwerpunkt GD der Gesamtschwingung der Schwingungsstücke 13C, 13D, 23C und 23D sich auf oder innerhalb eines Bereichs nahe des Schwerpunkts GO des Schwingers befindet.
In dem in 26 dargestellten Schwinger stehen zwei Ansteuerschwingungssysteme 1A, 1B und ein Detektionsschwingungssystem 2A vom Umfangsteil des Basisabschnitts 11A vor und sind voneinander getrennt. Die Systeme 1A und 1B sind um GO zweizählig symmetrisch. Die Systeme 1A und 1B umfassen Trageabschnitte 12A und 12B, die vom Umfangsteil des Basisabschnitts vorstehen, und erste Biegeschwingungsstücke 13C und 13D, die sich von der Kante jedes Trageabschnitts in einer zum Trageabschnitt senkrechten Richtung erstrecken (siehe 2(a)).
Demgegenüber entspricht das System 2A dem oben beschriebenen, ausgenommen, dass ein Gewichtsabschnitt 97 und ein Befestigungsstück 38 auf der dem System 2A gegenüberliegenden Seite bereitgestellt sind. Wenn der Schwerpunkt der gesamten Ansteuerschwingung in den Ansteuersystemen sich innerhalb eines Bereichs nahe GO befindet, dann kann in diesem Fall der Einfluss auf das Detektionsschwingungssystem verringert werden, um eine relativ akkurate Messung mit nur einem Detekti onsschwingungssystem 2A zu ermöglichen. Der Schwinger kann vorzugsweise in einer vorbestimmten Position in der Seite des dem Detektionsschwingungssystem gegenüberliegenden Basisabschnitt gehalten werden oder in einer vorbestimmten Position, die der Position des Detektionsschwingungssystems entspricht, wenn dieses um GO gedreht wird, oder der Schwinger kann auf einer länglichen Linie oberhalb dieser Position gehalten werden.
In einem Schwinger von 27 entsprechen die Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B den oben genannten. Der Schwinger fällt unter die Kategorie von 8. Die Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B umfassen Rahmenabschnitte 19A bzw. 19B, die vom Basisabschnitt 11A vorstehen, und zweite Biegeschwingungsstücke 24C bzw. 24D, die in Richtung des Schwerpunkts GO von den Rahmenabschnitten 19A und 19B vorstehen. Wie in 4(b) zu sehen, umfasst jedes Biegeschwingungsstück 24C oder 24D einen Befestigungsabschnitt 8, der von GO entfernt ist, und ein nahe GO liegendes, freies Ende und es schwingt, wie durch die Pfeile 6A oder 6B angezeigt.
In einem in 28 dargestellten Schwinger sind zwei erste Schwingungssysteme und zwei zweite Schwingungssysteme innerhalb eines Rahmenabschnitts 19C so ausgebildet, dass die freien Enden sich in Richtung des Schwerpunkts GO erstrecken. Der Schwinger fällt unter die in 10 abgebildete Kategorie.
Jedes Ansteuerschwingungssystem umfasst einen Trageabschnitt 12C oder 12D, der sich in Richtung des Schwerpunkts GO von einem Rahmenabschnitt 19C erstreckt, und erste Biegeschwingungsstücke 13M oder 13N, die sich vom freien Ende jedes Trageabschnitts in einer zum Trageabschnitt senkrechten Richtung erstrecken (siehe 2(a)). Jedes Biegeschwingungsstück 13M oder 13N umfasst Stücke 16R und 16S oder 16T und 16U.
Jedes Detektionsschwingungssystem umfasst zweite Biegeschwingungsstücke 24C oder 24D, die sich linear vom Rahmenabschnitt 19C in Richtung des Schwerpunkts GO erstrecken. Jedes Biegeschwingungsstück 24C oder 24D weist eine in 4(b) dargestellte Form auf.
In der Erfindung kann eine Vielzahl an ersten Schwingungssystemen mit den sich in Umfangsrichtung um den Schwerpunkt des Schwingers erstreckenden Verbindungsabschnitten verbunden sein, um ein Schwingschleifensystem auszubilden, welches den Mittelpunkt mit den ersten Schwingungssystemen und den Verbindungsabschnitten umgibt.
Beispielsweise stehen in einem Schwinger von 29 zwei Ansteuersysteme 1A, 1B und Detektionssysteme 2A, 2B vom Umfangsteil des Basisabschnitts 11A radial vor. Die Systeme 1A und 1B sind zweizählig symmetrisch und die Systeme 2A und 2B mit dem Schwerpunkt GO als Mittelpunkt ebenfalls zweizählig symmetrisch.
Die Systeme 1A und 1B umfassen Trageabschnitte 12A, 12B, die vom Umfangsteil des Basisabschnitts vorstehen, und erste Biegeschwingungsstücke 13P und 13Q (siehe 2(a)), die sich in einer zum Trageabschnitt senkrechten Richtung von der Kante desselben aus erstrecken. Die Biegeschwingungsstücke 13P und 13Q sind mit den Verbindungsabschnitten 39A, 39B, 39C und 39D verbunden. Die Verbindungsabschnitte und die Stücke 13P und 13Q bilden zusammen ein Schwingschleifensystem 71A, wobei GO dessen Mittelpunkt ist.
In dem in 29 abgebildeten Schwingungsmodus schwingen die Biegeschwingungsstücke 16A, 16B, 16C und 16D wie die Pfeile 6A und 6B und als Reaktion auf diese Schwingungen schwingen die Verbindungsabschnitte wie durch Pfeil I angezeigt. Wenn der Schwinger gedreht wird, wird ein in 30 dargestellter Detektionsschwingungsmodus induziert, in dem die Ansteuerschwingungssysteme in Richtung der Pfeile A und B in Umfangsrichtung schwingen und als Reaktion darauf sich das gesamte Schwingschleifensystem verformt. Um diese Verformung auszugleichen, schwingen die Stücke 14C und 14D im Detektionsschwingungssystem wie durch die Pfeile 6A und 6B angezeigt. 40 ist ein Gewichtsabschnitt, der innerhalb der Stücke 14C und 14D bereitgestellt ist.
Die in den 31 bis 35 dargestellten Schwinger umfassen kleine Basisabschnitte, deren Breiten im Wesentlichen jenen der Biegeschwingungsstücke entsprechen.
In den Schwingern von 31 und 32 entsprechen die Trageabschnitte 12A, 12B und die Biegeschwingungsabschnitte 13R, 13S, 14C und 14D, innerhalb der Ansteuer- und Detektionsschwingungssysteme, im Wesentlichen den oben beschriebenen. Die Schwinger umfassen jedoch Basisabschnitte 11F, die an den Schnittpunkten der Trageabschnitte 12A, 12B und den Stücken 14C, 14D angeordnet sind und deren Breiten im Wesentlichen denen der Abschnitte 12A, 12B und den Stücken 14C, 14D entsprechen.
In 31 werden lineare längliche Abschnitte 41 von den Endabschnitten der Trageabschnitte 12A, 12B in Längsrichtung der Trageabschnitte bereitgestellt. Jeder längliche Abschnitt ist mit einem Stückbefestigungsabschnitt 42 verbunden. Die Ansteuerschwingungssysteme 1A, 1B schwingen zwischen einem Paar befestigter Stückabschnitte 42, wie oben beschrieben. In 32 werden solche Stückbefestigungsabschnitte und länglichen Abschnitte im Schwinger nicht bereitgestellt.
33 stellt das relative Verhältnis der Schwingungsamplitude an jedem Punkt im Schwinger von 32 zur Maximalschwingungsamplitude in einem Ansteuerschwingungsmodus dar und 34 zeigt das relative Verhältnis der Schwingungsamplitude jedes Punkts zur Maximalschwingungsamplitude in einem Detektionsschwingungsmodus. Die 32 und 33 können im Wesentlichen als mit den 12 und 13 übereinstimmend verstanden werden.
In Übereinstimmung mit 33 werden die durch die Ansteuerschwingung induzierten Verformungen in den Detektionsschwingungssystemen und den Trageabschnitten kaum wahrgenommen. In Übereinstimmung mit 34 wird der durch die Detektionsschwingung auf den Basisabschnitt 11F ausgeübte Einfluss kaum wahrgenommen, da die Detektionsabschnitte an zweizählig symmetrischen Positionen um den Schwerpunkt des Schwingers herum angeordnet sind. Folglich kann der Schwinger vorzugsweise innerhalb des Basisabschnitts 11F gehalten werden.
Im Schwinger und Schwingkreisel dieses Beispiels befindet sich der Schwerpunkt GO des Schwingers, wie in den 32 und 33 gezeigt, innerhalb eines Bereichs, in dem die Ansteuerschwingung am kleinsten ist, und, wie in den 32 und 34 dargestellt, befindet sich der Schwerpunkt GO innerhalb eines Bereichs, in dem die Detektionsschwingung am kleinsten ist.
Ein Schwinger von 35 umfasst zwei Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B, die sich vom Basisteil 11F erstrecken. Das Detektionsschwingungssystem umfasst Biegeschwingungsstücke 44C bzw. 44D. Die Endabschnitte der Stücke 44C und 44D sind durch Verbindungsabschnitte 46 mit dem Biegeschwingungsstück 23C bzw. 23D verbunden. Die Biegeschwingungsstücke 23C und 23D bilden die Ansteuerschwingungssysteme 1A bzw. 1B und erstrecken sich in einer zu den Stücken 44C und 44D im Wesentlichen parallelen Richtung. Die Stücke 23C, 23D und die Verbindungsabschnitte 46 bilden zusammen ein Schwingschleifensystem 71B, das als Gesamtes um den Schwerpunkt GO schwingt.
Die beiden Enden der Biegeschwingungsstücke 23C und 23D sind, wie in 2(b) dargestellt, befestigt und diese Mittelteile schwingen, wie durch die Pfeile 5A und 5B angezeigt. Die Schwingungsstücke 44C und 44D schwingen, wie in 5(b) abgebildet. Außerdem kann der Schwinger des vorliegenden Beispiels einen Vorsprung 45 umfassen, der neben dem Basisabschnitt als ein Stückbefestigungsabschnitt bereitgestellt werden kann, welcher gehalten werden kann.
Danach wird unten stehend ein Vorgang zum Ansteuern der Biegeschwingungsstücke und zum Detektieren der in den Biegeschwingungsstücken induzierten Schwingungen beschrieben. Der Betrieb eines Schwingers von 36 entspricht dem des in 24 abgebildeten Schwingers. Der Schwinger ist jedoch aus piezoelektrischem Einkristall mit „a-Achsen", die sich innerhalb einer spezifizierten Ebene erstrecken, und einer „c-Achse", die sich in einer zum Schwinger senkrechten Richtung erstreckt, ausgebildet. Solche Kombinationen aus „a-Achsen" und „c-Achsen" sind beispielsweise in Quarz vorhanden.
Der Schwinger von 36 umfasst Biegeschwingungsstücke zum Ansteuern von 23C und 23D, welche die Ansteuerelektroden 15A und 15B umfassen. 37(a) zeigt dessen Querschnittsansicht. Ferner umfasst der Schwinger Biegeschwingungsstücke zum Detektieren von 14C und 14D, welche die Detektionselektroden 16A und 16B umfassen. 37(b) zeigt dessen Querschnittsansicht.
Der Schwinger gemäß der Erfindung kann Schwingungssysteme umfassen, die einen Subschwinger haben, besonders ein Biegeschwingungsstück, der mit einem Durchgangsloch oder einem Hohlraum oder einer Nut bereitgestellt sind, welche sich in Längsrichtung des Subschwingers oder des Stücks erstreckt. Als Resultat kann die Eigen-Resonanzfrequenz der Schwingung des Biegeschwingungsstücks verringert sein, um den „Q-Wert" der Ansteuerschwingung oder der Detektionsschwingung weiter zu verbessern. Die 38 bis 41 zeigen Schwingkreisel gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung.
Der Schwinger von 38 umfasst Biegeschwingungsstücke 23C, 23D, 14C und 14D, in denen Durchgangslöcher 47, 48 bereitgestellt sind, die sich in Längsrichtung des jeweiligen Biegeschwingungsstücks erstrecken. Wie in 39(a) abgebildet, umfasst jedes Stück 23C oder 23D Ansteuerelektroden 49A und 49D auf der Außenseitenoberfläche des Stücks und Ansteuerelektroden 49B und 49C auf der Innenseitenoberfläche, welche dem Durchgangsloch 47 gegenüberliegt. Wie in 39(b) dargestellt, umfasst jedes Stück 14C oder 14D Detektionselektroden 50A und 50D auf der Außenseitenoberfläche des Stücks und Detektionselektroden 50B und 50C auf der Innenseitenoberfläche, welche dem Durchgangsloch 48 gegenüberliegt.
In dieser Ausführungsform wird eine Platte aus piezoelektrischem Einkristall verwendet, wie etwa Quarz, das über „a-Achsen" verfügt, die dreizählig symmetrische Achsen sind. In jedem in 39(a) abgebildeten Biegeschwingungsstück sind die Ansteuerelektroden 49A und 49D auf den Außenseitenoberflächen mit einer Wechselstromversorgung verbunden und die Ansteuerelektroden 49B und 49C auf den Innenseitenoberflächen sind geerdet. Folglich werden die Richtungen der elektrischen Felder der zwischen den Ansteuerelektroden 49A und 49B und zwischen den Elek troden 49C und 49D angelegten Spannungen umgedreht, um die Biegebewegung im Biegeschwingungsstück zu induzieren.
Ferner sind die Richtungen der elektrischen Felder, die durch die Biegebewegung des Detektionsschwingungsstücks zwischen den Detektionselektroden 50A und 50B und zwischen den Elektroden 50C und 50D induzierten werden, umgekehrt.
Da ein Paar Ansteuerelektroden auf den Außen- bzw. Innenseitenoberflächen der beiden Seiten des Durchgangslochs in jedem Biegeschwingungsstück bereitgestellt werden, kann die Biegebewegung gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Biegeschwingungsstück induziert werden. Ein ähnliches Prinzip wird daher auf jedes der Detektions-Biegeschwingungsstücke angewendet. Daher kann das Biegeschwingungsstück angesteuert werden oder seine Schwingung kann durch Anlegen einer Spannung in einer Richtung der „a-Achse", welche den größten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten aufweist, detektiert werden.
In den oben erwähnten Ausführungsformen werden die Schwingungsstücke oder arme durch Anlegen einer Spannung in der A-Achsenrichtung des piezoelektrischen Einkristalls angesteuert. Demgegenüber ist es beispielsweise im Falle von einem Einkristall aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder einem Einkristall aus einem Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Mischkristall, wie etwa in 40 abgebildet, unter dem Gesichtspunkt der Wärmestabilität besonders vorteilhaft, die a-Achse parallel zur Papierfläche und die c-Achse in einem Winkel von 50° zur Papierfläche auszurichten. In diesem Fall erfolgt die Biegeschwingung der Biegeschwingungsstücke durch Anlegen einer Spannung in der zur Papierfläche senkrechten Richtung.
In 40 wird eine 130°-Y-Platte aus Lithiumtantalat, deren „c-Achse" in einem Winkel von 50°C relativ zur spezifizierten Ebene des Schwingers ausgerichtet ist, verwendet, so dass die Wärmestabilität des Schwingers am meisten verbessert wird. Die Biegeschwingungsstücke 23C und 23D zum Ansteuern umfassen Durchgangslöcher 47, die sich jeweils in Längsrichtung zum Stück erstrecken. Die Biegeschwin gungsstücke 14C und 14D zum Detektieren umfassen Durchgangslöcher 48, die sich jeweils in Längsrichtung zum Stück erstrecken.
Wie in 41(a) zu sehen, werden längliche Ansteuerelektroden 99A, 99B, 99C und 99D auf beiden Außenseiten des Lochs 47 bereitgestellt. Die Richtungen der elektrischen Felder, die durch die Spannungen zwischen den Ansteuerelektroden 99A und 99B und zwischen den Elektroden 99C und 99D angelegt werden, werden umgedreht, um die Biegebewegung im Biegeschwingungsstück zu induzieren. Wie in 41(b) zu sehen, sind längliche Detektionselektroden 51A, 51B, 51C und 51D auf beiden Außenseiten des Lochs 48 in jedem Stück zur Detektion bereitgestellt. Die Richtungen der elektrischen Felder, die durch die Biegebewegung zwischen den Detektionselektroden 51A und 51B und zwischen den Elektroden 51C und 51D induziert werden, werden umgedreht.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind anstelle der Bereitstellung von Durchgangslöchern 17 und 48, Nuten oder hohle Abschnitte mit im Wesentlichen denselben Formen wie die Durchgangslöcher bereitgestellt. Also kann eine dünne Wand bereitgestellt werden, um nicht jedes Loch 47 und 48 durch das Biegeschwingungsstück hindurchtreten oder dieses penetrieren zu lassen.
In der bevorzugten Ausführungsform des Detektionsverfahrens einer Drehwinkelgeschwindigkeit wird ein elektrisches Signal zum Erzeugen einer Ansteuerschwingung als Referenzsignal angenommen, ein Ausgangssignal wird durch Detektion eines weiteren, durch die Ansteuerschwingung bewirkten elektrischen Signals erhalten, das durch ein Detektionsmittel aus einer Schwingung mit einem Schwingungsmodus detektiert wird, welches durch die Ansteuerschwingung hervorgerufen wird und sich von dem Ansteuerschwingungsmodus unterscheidet, und eine Phasendifferenz zwischen dem Referenz- und dem Ausgangssignal wird detektiert, um die Drehwinkelgeschwindigkeit basierend auf der detektierten Phasendifferenz zu messen.
42 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Phasendifferenz-Detektionsmittels, das in dieser Ausführungsform verwendet wird.
In dem in 42 abgebildeten Phasendifferenz-Detektionsmittel 62 wird ein Ausgangssignal durch einen Wechselstromverstärker 61 verstärkt und dann an einen Phasendifferenz-Detektionsschaltkreis 63 weitergeleitet. Ein Referenzsignal wird zum Wellenformen oder Ähnlichem durch einen Referenzsignal-Vorverarbeitungsschaltkreis 64 vorverarbeitet und dann an einen Phasendifferenz-Detektionsschaltkreis 63 weitergeleitet, welcher eine Phasendifferenz zwischen dem vorverarbeiteten Referenzsignal und dem Ausgangssignal detektiert, die zugeführt wurden. Die detektierte Phasendifferenz wird in einen Tiefpassfilter 65 und einen Gleichstromverstärker 66 eingespeist, um sie in ein Gleichstromsignal umzuwandeln, dessen Amplitude in Übereinstimmung mit der Phasendifferenz schwankt. Das durch das oben erwähnte Phasendifferenz-Detektionsmittel 67 erhaltene Gleichstromsignal wird in einen Drehwinkelgeschwindigkeits-Detektionsschaltkreis 67 eingespeist, der eine Drehwinkelgeschwindigkeit auf der Basis einer vorbestimmten Relation zwischen der Stärke eines Gleichstroms und einer Drehwinkelgeschwindigkeit berechnet.
Da der oben genannte Schaltkreis 62 eine Phasendifferenz zwischen einem Ausgangssignal und einem Referenzsignal nicht direkt als Zahlenwert berechnen kann, berechnet er eine Drehwinkelgeschwindigkeit aus der Stärke des Gleichstromsignals, das in Übereinstimmung mit der Phasendifferenz variiert. Die Phasendifferenz kann jedoch als Zahlenwert erhalten werden und dann kann eine Drehwinkelgeschwindigkeit auf Basis einer vorbestimmten Relation zwischen einer Phasendifferenz und einer Drehwinkelgeschwindigkeit erhalten werden.
Der Schwingkreisel der Erfindung stellt sich als besonders effektiv für das oben genannte Verfahren zur Detektion der Phasendifferenz heraus, um hohe Linearität zwischen der Phasendifferenz und der Drehwinkelgeschwindigkeit bereitzustellen. Die Linearität zwischen der Phasendifferenz und der Drehwinkelgeschwindigkeit kann besonders dann verbessert werden, wenn das Verhältnis eines Schwingkreiselsignals zu einem Streusignal 1 nicht weniger als 7 beträgt. Ein zu hohes Streusignal überschreitet den Detektionsgrenzwert des Schwingers, sogar wenn er aus piezoelektrischem Einkristall hergestellt ist. Daher wird der obere Grenzwert eines Streusignals in Übereinstimmung mit der Empfindlichkeit des Schwingkreisels bestimmt.
In einem Bereich, in dem ein Streusignal größer als ein Schwingkreiselsignal ist, besonders in einem Bereich, in dem das Verhältnis des Schwingkreiselsignals zu einem Streusignal 1 bis nicht weniger als 7 beträgt, ist die Detektionsempfindlichkeit niedrig, aber dadurch ist die Linearität einer Phasendifferenz zu einer Drehwinkelgeschwindigkeit erhöht.
Der Schwinger der Erfindung kann ferner durch Laminieren von 2 oder mehreren piezoelektrischen Schichten miteinander erzeugt werden. In dem Schwinger dieser Ausführungsform können sich die Achsenrichtungen der Polarisierung der jeweiligen Schicht unterscheiden und besonders in einer zu den Hauptflächen des Schwingers senkrechten Richtung sein.
Da ein Rauschsignal, welches durch eine Auszieh-Zusammenzieh-Schwingung erzeugt wird, die in dem Basisabschnitt abläuft, wenn eine Ansteuerschwingung an den Schwinger übermittelt wird, ist es in Übereinstimmung mit einem Linearbeschleuniger, welcher einen Schwinger der Erfindung verwendet, möglich, einen durch Schwankung eines Rauschsignals mit einer Temperaturänderung verursachten Fehler zu verhindern.
Ein Sensor zum gleichzeitigen Messen einer Drehgeschwindigkeit und einer Linearbeschleunigung kann unter Verwendung des Schwingers der Erfindung erzeugt werden. In dem Schwinger der vorliegenden Erfindung werden im Falle, dass eine Drehgeschwindigkeit und eine Linearbeschleunigung gleichzeitig am Schwinger angewendet werden, die der Drehgeschwindigkeit und der Linearbeschleunigung entsprechenden Detektionssignale erzeugt. Unter den Detektionssignalen zu diesem Zeitpunkt ist eine Änderung der Amplitude einer Signalkomponente mit derselben Frequenz wie das Ansteuersignal zur Drehgeschwindigkeit proportional und eine Änderung in einer Gleichspannungs-Signalkomponente ist proportional zur Linearbeschleunigung.
Die 43 bis 47 sind perspektivische Ansichten, die Schwingkreisel gemäß anderer Beispiele der Erfindung darstellen. Ein Schwinger von 43 entspricht im Wesentlichen dem in 11 abgebildeten. Ein Durchgangsloch 72 ist jedoch in jedem Trageabschnitt 12E oder 12F jedes Ansteuerschwingungssystems 1A oder 1B ausgebildet und erstreckt sich in Längsrichtung desselben, wodurch die mechanische Stärke jedes Trageabschnitts reduziert wird. Hohle Abschnitte oder Nuten können anstelle der Durchgangslöcher 72 ausgebildet sein.
Ein in 44 dargestellter Schwinger entspricht ebenfalls im Wesentlichen jenem von 11. Der Schwinger ist jedoch aus einem piezoelektrischen Einkristall hergestellt, dessen „a-Achse" in Richtung der „x-Achse" ausgerichtet ist und dessen „c-Achse" in einem Winkel von 50° relativ zur spezifizierten Ebene ausgerichtet ist. Daher sind die Ansteuerschwingungselektroden 99A bis 99D und die Detektionselektroden 51A bis 51D im Wesentlichen dieselben wie in 40. Jedes Biegeschwingungsstück 16V, 16W, 16X und 16Y des Ansteuerschwingungssystems 1A und 1B weist ferner eine Bogenform auf.
Ein in 45 dargestellter Schwingkreisel entspricht im Wesentlichen dem in 35 abgebildeten, außer, dass die Vorsprünge 78A, 78B sich von den Verbindungsstellen der Verbindungsabschnitte 46 und der Biegeschwingungsstücke 44C und 44D nach außen erstrecken. Auf die Vorsprünge kann jedoch auch verzichtet werden. Jedes Biegeschwingungsstück 44C oder 44D ist mit einem Basisabschnitt 11H verbunden, welcher einen Rahmenabschnitt 74 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form umfasst. Ein Paar Brücken 76A und 76B erstreckt sich von der Innenoberfläche des Rahmenabschnitts 74 und trägt zwischen den Brücken einen Mittelbasisabschnitt 97. Die Schwerpunkte GD, GB und GO befinden sich innerhalb des Mittelbasisabschnitts 97. Die Vorsprünge 77A und 77B erstrecken sich vom Mittelbasisabschnitt 97 in Richtung der Zwischenräume 75A und 75B. 72A und 72B sind Zwischenräume und 73 ist ein Radiusabschnitt.
Der Schwinger dieses Beispiels kann innerhalb der Vorsprünge 78A und 78B oder innerhalb des Mittelbasisabschnitts 97 oder innerhalb der Vorsprünge 77A und 77B getragen werden, um die Einflüsse auf die Empfindlichkeit der durch das Tragen induzierten Detektionsschwingung zu verringern.
Der Schwingkreisel von 46 umfasst Ansteuerschwingungssysteme, die jeweils ein Biegeschwingungsstück 23C oder 23D aufweisen, welches durch ein Paar Verbindungsabschnitte 80 mit den Biegeschwingungsstücken 44C und 44D verbunden ist, um ein Schwingschleifensystem auszubilden. Jeder Verbindungsabschnitts 80 umfasst Subverbindungsabschnitte 80a und 80c, die sich in Richtung einer „x-Achse" erstrecken, und einen Subverbindungsabschnitt 80b, der sich in Richtung einer „y-Achse" erstreckt und die Subverbindungsabschnitte 80a und 80c verbindet. Die Biegeschwingungsstücke 44C bzw. 44D sind mit einem Basisabschnitt 11A verbunden. 72A und 72b sind hohle Abschnitte.
Ein Schwingkreisel von 47 umfasst die Ansteuerschwingungssysteme 1A und 1B, Detektionsschwingungssysteme 2A und 2B und den Basisabschnitt 11A, die im Wesentlichen den in 11 beschriebenen entsprechen. Ferner sind Ansteuerschwingungssysteme 1E und 1F außerhalb der Systeme 1A und 1B bereitgestellt. Die Systeme 1E und 1F umfassen Biegeschwingungsstücke 23A bzw. 23D, deren beide Enden jeweils durch einen Verbindungsabschnitt 100 mit dem Ende jedes Biegeschwingungsstücks 44C, 44D verbunden sind.
Die Empfindlichkeit eines Schwingkreisels schwankt in Übereinstimmung mit den Eigenschwingungsfrequenzen ihrer Ansteuerschwingung und Detektionsschwingung. Wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, ändern sich jedoch die Eigenschwingungsfrequenzen und daher ändern sich die Differenzen. In tatsächlichen, durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführten Experimenten schwankten die Differenzen um etwa 10 % in einem Temperaturbereich von –30°C bis +80°C. Daher wird das Halten der Differenzen auf einer Konstanten mit kleineren Abweichungen in einem Temperaturbereich von –30°C bis +80°C gewünscht.
Wenn der Schwinger ein Paar Hauptoberflächen, die zur spezifizierten Ebene parallel sind, sowie Seiten umfasst, können zur Lösung dieses Problems vorzugsweise ein oder mehrere Vorsprünge auf der Seite oder den Seiten bereitgestellt werden, wobei der Vorsprung oder die Vorsprünge von der Seite aus, auf der sie bereitgestellt sind, eine Höhe von 1/3 bis 1/7 (vorzugsweise 1/4 bis 1/5) der Dicke des Schwingers aufweisen. Ferner, wenn der Vorsprung oder die Vorsprünge in einem Biegeschwingungsstück oder in Biegeschwingungsstücken bereitgestellt werden können, deren Länge vorzugsweise nicht mehr als 7 mm und noch bevorzugter nicht mehr als 6 mm beträgt.
Die Erfinder haben tatsächlich die Eigenschwingungsfrequenzen der Ansteuer- und Detektionsschwingungen in dem Biegeschwingungsstück gemäß der Erfindung in einem Temperaturbereich von –30°C bis +80°C gemessen und präsentieren in 48 ein Diagramm, das die Differenzen zwischen den Maximalwerten und den Minimalwerten der Differenzen desselben Temperaturbereichs darstellt, in dem das Biegeschwingungsstück eine Länge von 6, 8 oder 10 mm, eine Dicke von 0,3 mm, eine Breite von 10 mm hat und aus Quarz hergestellt ist.
Wie aus den Ergebnissen von 48 ersichtlich, kann die Differenz der Maximal- und Minimalwerte der Differenzen der Resonanzfrequenzen in einem Temperaturbereich von –30°C bis +80°C verringert werden, um nicht mehr als 2,5 Hz, insbesondere 2,0 Hz, zu betragen, um den Bruch dem Empfindlichkeiten der Schwingkreisel durch Verringern der Länge des Biegeschwingungsstücks auf nicht mehr als 6 mm in einem Bereich von nicht mehr als 5 % zu steuern und die Höhe des Vorsprungs, wie oben beschrieben, zu steuern.
Ferner können vorzugsweise ein oder mehrere Vorsprünge auf einer oder mehreren Seiten eines Basisabschnitts bereitgestellt sein, wobei sich der Vorsprung oder die Vorsprünge in Längsrichtung der Seite erstrecken, um die Einflüsse auf die Detektionsschwingung, die durch die Ansteuerschwingung induziert wird, weiter zu reduzieren. In diesem Fall können Projektionen in Positionen symmetrisch in Bezug auf den Schwerpunkt des Basisabschnitts bereitgestelt werden, um das Rauschen, das in der detektionsrichtung induziert wird, zu reduzieren.
Wenn jedes Ansteuer- oder Detektionsschwingungssystem ein oder mehrere Biegeschwingungsstücke und dessen Trageabschnitt umfasst, können ferner ein oder mehrere Vorsprünge auf zumindest einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten des Trageabschnitts ausgebildet sein, wobei sich der Vorsprung oder die Vorsprünge in Längsrichtung der Seite erstrecken. Die durch die Schwingung der Biegeschwingungsstücke induzierten Einflüsse auf den Basisabschnitt können dadurch verringert werden. Ferner können ein oder mehrere Vorsprünge auf zumindest einer Seite des Detektionsschwingungsstücks bereitgestellt sein, so dass der durch die Ansteuerschwingung induzierte Einfluss auf das Detektionsschwingungsstück und daher das Rauschen verringert werden können, wenn der Schwinger nicht gedreht wird.
49 stellt einen Schwingkreisel gemäß dieser Ausführungsform dar, umfassend einen Schwinger mit Vorsprüngen 90G, 90I, 90H und 90J, die auf den Seiten eines Basisabschnitts 11A bereitgestellt sind. Die Vorsprünge befinden sich zueinander in Bezug auf den Schwerpunkt des Basisabschnitts 11A in symmetrischen Positionen. Vorsprünge 90A, 90B, 90C oder 90D sind ferner auf beiden Seiten jedes Trageabschnitts 12A, 12B in jedem Ansteuerschwingungssystem 1A, 1B ausgebildet. Jeder Vorsprung 90E oder 90F ist auf einer Seite jedes Biegeschwingungsstücks 14C oder 14D in jedem Detektionsschingungssystem 2A oder 2B ausgebildet.
Wenn Schwinger mithilfe eines Ätzvorgangs erzeugt werden, können Schwankungen in einer Zeitspanne für den Ätzvorgang oder Konzentrationen von Ätzlösung in Abhängigkeit von einer Herstellungscharge auftreten, zu der der Schwinger gehört. Solche Schwankungen können Schwankungen in den Differenzen zwischen den Eigenschwingungsfrequenzen der Ansteuer- und Detektionsschwingungen des Schwingers und Schwankungen in den Empfindlichkeiten der erzeugten Schwinger induzieren. Damit solche Schwankungen verhindert werden, können ein oder mehrere Durchganglöcher oder ein oder mehrere hohle Abschnitte oder eine oder mehrere Nuten in einem Biegeschwingungsstück in einer Position oder Positionen ausgebildet sein, die näher am Ende des Stücks als ein Ansteuer- oder Detektionsschwingungsmittel sind und mit solchen Mitteln nicht bereitgestellt sind.
50 ist eine Draufsicht zur schematischen Darstellung eines Schwingkreisels gemäß dieser Ausführungsform. Der Schwingkreisel entspricht im Wesentlichen dem von 11, außer, dass die Durchgangslöcher 91A, 91B, 91C und 91D in den Biegeschwingungsstücken 16A, 16B, 16C, 16D, 14C und 14D in Positionen ausgebildet sind, die sich näher an den Enden der Stücke als die Ansteuer- oder Detektionsschwingungselektroden befinden und mit solchen Elektroden nicht bereitgestellt werden. Die Durchgangslöcher oder die hohlen Abschnitte oder Nuten können vorzugsweise in Positionen mit 0,3 mm Abstand zur Ausbildung der Elektroden ausgebildet sein.
Die Auswirkung eines solchen Durchgangslochers oder hohlen Abschnitts oder einer Nut wird unten stehend beschrieben. Wie in 51 zu sehen, kann, wenn ein Biegeschwingungsstück durch Ätzen eines Materials erzeugt wird, ein solches Material wie durch die Strichlinien angezeigt relativ zu einem vorbestimmten Design, welches durch eine Volllinie angedeutet wird weiter geätzt werden. In diesem Fall wird die Kantenoberfläche 101 des Stücks geätzt, nachdem das Material bereits entsprechend der Volllinie geätzt wurde; eine Masse der Biegeschwingungsstücke wird verringert, um deren Resonanzfrequenz zu erhöhen. Wenn das Material in dessen Seiten, wie durch Strichlinie angezeigt, weiter geätzt wird, wird die Breite des Biegeschwingungsstücks verringert, um dessen Resonanzfrequenz zu reduzieren. Folglich überschreiten die Auswirkungen des Überätzens auf den Seiten 102 die Auswirkungen desselben auf der Endoberfläche 101.
Wenn die Seiten, wie durch die Strichlinien angezeigt, überätzt werden, werden die Durchgangslöcher 91A bis 91D durch Bereitstellen der Durchgangslöcher 91A bis 91D in dem Stück ebenfalls geätzt, wie durch die Strichlinien angedeutet, um eine Masse des Stücks nach dem Ätzen zu verringern.
Wenn die Biegeschwingungsstücke aus Quarz und mit einer Länge von 6 mm, einer Breite von 1,0 mm und einer Dicke von 0,3 mm ausgebildet werden und wenn die Seiten 102 um 1 μm tiefer als die gedachte Länge geätzt werden, unterscheidet sich beispielsweise die Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen der Ansteuer- und Detektionsschwingungen um 2,85 Hz vom vorbestimmten Wert. Wenn die Durchgangslöcher 91A bis 91D jeweils eine Länge von 0,4 mm und eine Breite von 0,3 mm in dem Stück des oben erwähnten Designs aufweisen, unterscheidet sich demgegenüber die Differenz nur 0,08 Hz vom vorbestimmten Wert.
Ferner kann ein vergrößerter Abschnitt vorzugsweise an einem Ende jedes Biegeschwingungsstücks bereitgestellt sein und solche Abschnitte weisen ein darin ausgebildetes Durchgangsloch oder Durchgangslöcher oder einen hohlen Abschnitt oder hohle Abschnitte oder eine Nut oder Nuten auf. Solche vergrößerten Abschnitte können die oben genannten Auswirkungen des Durchgangslochs oder des hohlen Abschnitts verbessern, also sogar kleinere Durchgangslöcher oder hohle Abschnitte oder Nuten können die oben genannten Auswirkungen bereitstellen.
52 zeigt einen Schwingkreisel gemäß dieser Ausführungsform. Jedes Biegeschwingungsstück 16A, 16B, 16C, 16D, 14C oder 14D umfasst jedes Ende mit einem vergrößerten Abschnitt 95 oder 96, wobei jeder vergrößerte Abschnitt eine größere Breite als die des entsprechenden Biegeschwingungsstücks hat. Innerhalb jedes vergrößerten Abschnitts sind Durchgangslöcher 91A und 91B oder 91C und 91D ausgebildet.
Wie oben beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung einen neuen Schwingkreisel bereit, der einen Schwinger umfasst, welcher sich hauptsächlich in einer spezifizierten Ebene erstreckt, und der Schwingkreisel ist zur Detektion einer Drehwinkelgeschwindigkeit einer Drehung geeignet, wenn der Schwinger einer Drehung unterworfen wird.

Claims

Rotationsabfühl-Schwinger zum Abfühlen der Rotation um eine vorbestimmte Drehachse mit Schwingungssystemen (1A, 1B, 2A, 2B), die in einer die genannte Achse schneidenden Ebene verteilt sind, worin eine Vielzahl der Schwingungssysteme Ansteuer-Schwingungssysteme (1A, 1B) sind und symmetrisch um den Mittelpunkt des Schwingers herum angeordnet sind, wobei jedes Ansteuer-Schwingungssystem (1A, 1B) einen Schwingungsmodus aufweist, der betriebsbereit ist, wenn keine Rotation um die Drehachse in einer solchen Weise vorhanden ist, dass der Schwerpunkt des Ansteuer-Schwingungssystems in der Ebene relativ zum Schwerpunkt des Schwingers radial schwingt, und zumindest ein anderes Schwingungssystem ein Detektionsschwingungssystem (2A, 2B) mit einem Schwingungsmodus ist, so dass der Schwerpunkt des Schwingungssystems in der Ebene entlang eines Pfads mit einer zum Schwerpunkt des Schwingers relativen Umfangskomponente schwingt, wobei der Schwingungsmodus des Detektionsschwingungssystems (2A, 2B) durch die Schwingung des Ansteuer-Schwingungssystems aufgrund der Rotation des Schwingers um die Drehachse herum angeregt wird, und worin einer der folgenden Fälle (a), (b) und (c) zutrifft: (a) der Schwinger weist einen Mittelabschnitt (11, 11A, 11F) auf, der im Mittelpunkt des Schwingers angeordnet ist, wobei die Ansteuer- und Detektionsschwingungssysteme (1A, 1B, 2A, 2B) mit dem Mittelabschnitt verbunden sind und sich radial von diesem erstrecken, oder (b) der Schwinger einen Mittelabschnitt (11A, 11F, 11H) aufweist, der im Mittelpunkt des Schwingers angeordnet ist, wobei zwei der Ansteuer-Schwingungssysteme (1A, 1B) erste Biegeschwingungsstücke (23C, 23D), und zwei der Detektionsschwingungssysteme (2A, 2B) zweite Biegeschwingungsstücke (44C, 44D) umfassen, worin die zweiten Biegeschwingungsstücke (44C, 44D) mit dem Mittelabschnitt (11A, 11F, 11H) verbunden sind und sich von diesem radial in entgegengesetzten Richtungen erstrecken und die ersten Biegeschwingungsstücke (23C, 23D) sich parallel zu den zweiten Biegeschwingungsstücken (44C, 44D) erstrecken und mit den Enden der zweiten Biegeschwingungsstücke (44C, 44D), vom Mittelabschnitt (11A, 11F, 11H) entfernt, verbunden sind, oder (c) der Schwinger einen Rahmenabschnitt (19, 19C) aufweist, der die Schwingungssysteme (1A, 1B, 2A, 2B) umgibt, und zwei der Ansteuer-Schwingungssysteme (1A, 1B) und zwei der Detektionsschwingungssysteme mit dem Rahmen verbunden sind und vom Rahmen zum Schwerpunkt des Schwingers hin vorragen.
Schwinger nach Anspruch 1, worin Fall (a) vorliegt, wobei die Ansteuer-Schwingungssysteme (1A, 1B) mit den Detektionsschwingungssystemen (2A, 2B) durch den Mittelabschnitt (11A) verbunden sind.
Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, worin Fall (a) oder Fall (b) des Anspruchs 1 vorliegt, mit zwei der Ansteuer-Schwingungssysteme (1A, 1B), die in dem Mittelabschnitt (11A) an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
Schwinger nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer Vielzahl an Detektionsschwingungssystemen (2A, 2B), die symmetrisch um den Schwerpunkt des Schwingers (11A) herum angeordnet sind.
Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Drehachse die Ebene in einem rechten Winkel schneidet.
Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin jedes Ansteuer-Schwingungssystem ein erstes Biegeschwingungsstück (13C, 13D, 13M, 13N, 23C, 23D) umfasst, dessen Schwingung die Radialschwingungskomponente bereitstellt.
Schwinger nach Anspruch 6, worin Fall (b) von Anspruch 1 vorliegt und die beiden Enden des ersten Biegeschwingungsstücks (23C, 23D) fixiert sind.
Schwinger nach Anspruch 6, worin das Ansteuer-Schwingungssystem eine Vielzahl an ersten Biegeschwingungsstücken (13C, 13D) aufweist.
Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Anspruch 8, worin Fall (a) von Anspruch 1 vorliegt und jedes Ansteuer-Schwingungssystem (1A, 1B) ein längliches Tragelement (12A, 12B) umfasst, das sich in seiner Längsrichtung radial vom Mittelabschnitt (11A) erstreckt und das erste Biegeschwingungsstück (13C, 13D) sich in einer zur Längsrichtung des Trageelements senkrechten Richtung erstreckt.
Schwinger nach Anspruch 9, worin das erste Biegeschwingungsstück (13C, 13D) eine rechteckige Schleife ist, die in der Mitte einer langen Seite (16A, 16B, 16C, 16D) mit dem länglichen Trageelement (12A, 12B) verbunden ist.
Schwinger nach Anspruch 9, worin das erste Biegeschwingungsstück (13C, 13D) ein in der Ebene flexibel vorliegender Stab ist, der in der Mitte mit dem länglichen Trageelement (12A, 12B) verbunden ist, welches ebenfalls flexibel in der Ebene vorliegt, wobei der Stab freie, vom länglichen Trageelement (12A, 12B) entfernte Enden aufweist.
Schwinger nach Anspruch 11, worin die freien Enden (95) des Stabs in der Breite – in Draufsicht auf die Ebene gesehen – relativ zur Breite des Stabs erweitert sind.
Schwinger wie in einem der Ansprüche 1 bis 9 dargelegt, worin Fall (a) von Anspruch 1 vorliegt und die Ansteuer-Schwingungssysteme durch Verbindungselemente (39A, 39B, 39C, 39D) zur Bildung eines Schwingungsschleifensystems um den Schwerpunkt des Schwingers herum miteinander verbunden sind.
Schwinger wie in einem der Ansprüche 1 bis 13, worin Fall (a) von Anspruch 1 vorliegt und jedes Detektionsschwingungssystem (2A, 2B) ein zweites Biegeschwingungsstück (14C, 14D, 14E) umfasst, dessen Schwingung die Umfangsschwingungskomponente bereitstellt.
Schwinger wie in Anspruch 14 dargelegt, worin das zweite Schwingungsstück (14C, 14D) sich in Bezug auf den Schwerpunkt des Schwingers radial erstreckt.
Schwinger nach Anspruch 14 oder 15, worin das zweite Schwingungsstück (14C, 14D) ein zweiter Stab ist, der in der Ebene flexibel vorliegt und ein freies, vom Mittelabschnitt (11A) entferntes Ende aufweist.
Schwinger nach Anspruch 16, worin das freie Ende (96) des zweiten Stabs (14C, 14D) des Detektionsschwingungssystems – in Draufsicht auf die Ebene gesehen – relativ zur Breite des Stabs erweitert ist.
Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 17, worin jedes Ansteuer-Schwingungssystem ein erstes Biegeschwingungsstück umfasst, das mit einem hohlen Abschnitt oder mehreren hohlen Abschnitten oder einem Durchgangsloch oder mehreren Durchgangslöchern oder einer Nut oder mehreren Nuten bereitgestellt ist, wobei sich jeder von diesen in der Längsrichtung des Stücks erstreckt.
Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 18, worin das Detektionsschwingungssystem ein zweites Biegeschwingungsstück umfasst, das mit einem hohlen Abschnitt oder mehreren hohlen Abschnitten oder einem Durchgangsloch oder mehreren Durchgangslöchern oder einer Nut oder mehreren Nuten bereitgestellt ist, wobei sich jeder von diesen in der Längsrichtung des Stücks erstreckt.
Schwinger nach einem der Ansprüche 18 oder 19, worin eine Elektrode oder mehrere Elektroden auf der Innenoberfläche oder den Innenoberflächen, die dem hohlen Abschnitt oder dem Durchgangsloch oder der Nut des ersten oder zweiten Biegeschwingungsstücks gegenüberliegt/gegenüberliegen, bereitgestellt ist/sind, so dass eine Spannung im Biegeschwingungsstück innerhalb der Ebene mithilfe der Elektrode anlegbar ist.
Schwingungskreisel zum Detektieren einer Drehwinkelgeschwindigkeit in einem Rotationssystem, umfassend einen Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 20, Anregungsmittel, die in den Ansteuer-Schwingungssystemen zum Anregen von Antriebsschwingung im Schwinger bereitgestellt sind, und Detektionsmittel, die in den Detektionsschwingungsmitteln zum Detektieren einer Detektionschwingung bereitgestellt sind, welche im Schwinger auftritt, wenn der Schwinger um die Achse rotiert.
Schwingungskreisel nach Anspruch 21, umfassend ein Tragemittel zum Tragen des Schwingers in einem Bereich, in dem die Schwingungsamplitude in dem im Schwinger induzierten Detektionsschwingungsmodus im Schwinger am kleinsten ist.
Schwingungskreisel nach Anspruch 22, worin Fall (a) oder Fall (b) vorliegen und der Schwinger den Mittelabschnitt (11A) umfasst, in dem sich der Schwerpunkt der Schwingung befindet, wobei der Schwinger in der Nähe seines Schwerpunkts gehalten ist.
Schwingungskreisel nach Anspruch 22, worin der Schwinger einen Befestigungsstückabschnitt (38) umfasst, der in einer von den Ansteuer-Schwingungssystemen in Bezug auf den Schwerpunkt des Schwingers entfernten Position bereitgestellt ist und der Schwinger im Befestigungsstückabschnitt (38) gehalten ist.
Schwingungskreisel nach einem der Ansprüche 21 bis 24, worin der Schwinger aus einem piezoelektrischen Einkristall hergestellt ist und sowohl Anregungsmittel als auch Detektionsmittel Elektroden umfassen.
Schwingungskreisel nach Anspruch 21, worin die Ansteuer-Schwingungssysteme jeweils ein erstes Biegeschwingungsstück umfassen, das mit einem hohlen Abschnitt oder mehreren hohlen Abschnitten oder einem Durchgangsloch oder mehreren Durchgangslöchern oder einer Nut oder mehreren Nuten bereitgestellt ist, welche an einer Position bereitgestellt sind, an der das Anregungsmittel oder das Detektionsmittel nicht bereitgestellt ist, und die sich näher an dem Ende des Stücks als das Anregungsmittel oder das Detektionsmittel befinden.
Schwingungskreisel nach Anspruch 21 oder 26, worin das Detektionsschwingungssystem ein zweites Biegeschwingungsstück umfasst, das mit einem hohlen Abschnitt oder mehreren hohlen Abschnitten oder einem Durchgangsloch oder mehreren Durchgangslöchern oder einer Nut oder mehreren Nuten bereitgestellt ist, welche an einer Position bereitgestellt sind, an der das Anregungsmittel oder das Detektionsmittel nicht bereitgestellt ist, und die sich näher an dem Ende des Stücks als das Anregungsmittel oder das Detektionsmittel befinden.