DE69008165T2

DE69008165T2 - Fühlelement für ein gyroskop.

Info

Publication number: DE69008165T2
Application number: DE69008165T
Authority: DE
Inventors: Jan Soederkvist
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: COLIBRI PRO DEVELOPMENT TAEBY SE AB
Priority date: 1989-02-27
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2010-02-21
Also published as: SE8900666A; EP0460089B1; SE466817B; WO1990010196A1; CA2047727A1; EP0460089A1; JPH04504617A; SE8900666D0; DE69008165D1; US5251483A; JP2977136B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Technik ist es bekannt, rotierende Massen als Sensorelemente für Kreiselgeräte (nachstehend kurz: Kreisel) zu benutzen. Ein solcher Kreisel ist jedoch technisch komplex, und in den vergangenen Jahren sind deshalb verschiedene Arten von Kreiseln, die auf Torsion und Schwingung beruhen, entwickelt worden.
Torsionsempfindliche Kreisel benutzen normalerweise schwingende Zungen, die mit einem Übergangselement verbunden sind, welches seinerseits an seiner Umgebung befestigt ist. Das Übergangselement spielt bei der Torsionsschwingung, die durch Coriolis-Kräfte erzeugt wird, eine aktive Rolle. Ein Beispiel eines derartigen torsionsempfindlichen Kreisels ist in der US-A-4,524,619 beschrieben.
Schwingungsempfindliche Kreisel basieren entweder auf einer Struktur mit schwingenden Zylindern oder auf schwingenden langgestreckten Körpern. Bei dieser Art von Kreiseln besitzt das Übergangselement vorrangig eine schwingungsisolierende Funktion.
Ein anderes Beispiel eines Sensorelementes für einen Kreisel ist in der US-A-4,671,112 beschrieben. Das Sensorelement enthält zwei längsgestreckte Elemente oder Zungen in einer gabelartigen Konstruktion. Eines der langgestreckten Elemente enthält ein Anregungselement und ein Detektionselement, während das andere langgestreckte Element ein Überwachungs- und ein Detektionselement enthält. Die Detektionselemente sind an den freischwingenden Enden der langgestreckten Elemente angeordnet und mit Hilfe eines Verbindungselementes mit der gabelartigen Konstruktion verbunden. Leiterbahnen von dem Anregungselement, den Detektionselementen und dem Überwachungselement sind mit den Elektroden für äußere Anschlüsse an der Basis des Sensorelementes verbunden. Der Herstellungsprozeß benötigt eine große Anzahl von manuellen Arbeitsschritten, welche sorgfältig ausgeführt werden müssen, um die hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit zu erfüllen. Dies macht das Sensorelement teuer in der Herstellung. Auch ist die Konstruktion ziemlich platzaufwendig.
In der Technik besteht ein dringendes Bedürfnis an Kreiseln mit Sensorelementen, welche eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Beschleunigungskräfte (g-Kräfte) besitzen. Es ist von äußerster Wichtigkeit, daß die verschiedenen Teile des Kreisels rauhen Umweltbelastungen widerstehen, insbesondere hoben Beschleunigungsbelastungen, wenn der Kreisel zum Beispiel in Munitionseinheiten (Raketen, Geschossen, Granaten usw.) mit hohen Anfangsgeschwindigkeiten verwendet wird. Der Kreisel muß eine robuste Konstruktion zulassen, bei welcher der Kreisel und seine Sensorelemente in Bezug auf die schwächste Stelle jedes entsprechenden Aufbaus in Leichtbauweise ausgeführt werden können. Für Munitionseinheiten ist es wesentlich, daß der Kreisel selbst unter Beschleunigsbelastungen in der Lage sein muß, ein Ausgangssignal abzugeben. Es werden auch öfter kleine äußere Abmessungen verlangt.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement für Kreiselgeräte vorzuschlagen, das eine Lösung der oben dargelegten Probleme anbietet. Das, was als wesentlich anzusehen ist, um das neuartige Gerät entsprechend der vorliegenden Erfindung zu charakterisieren, ist aus dem kennzeichnenenden Teil des anhängenden Anspruchs 1 ersichtlich.
Das neuartige Sensorelement ist bevorzugt als Stimmgabel aus Quarzkristall gestaltet. Die Basis der Stimmgabel ist starr befestigt, während die Zungen der Stimmgabel frei schwingen können. Auf dem Kristall sind Anregungselektroden angebracht, die die Zungen des Kristalls mit Hilfe des piezoelektrischen Effektes veranlassen, in bestimmte Richtungen zu schwingen. Von der Basis des Kristalls aus können (z. B. mit Hilfe des Drahtbondens oder TAB) Leiterbahnen angeschlossen und damit der Kontakt mit der peripheren Elektronik hergestellt werden.
Das Sensorelement besitzt eine Ausführungsform, welche es ermöglicht, für die Produktion die bekannten Technologien der Schwingquarzherstellung zu benutzen. Die Resonanzfrequenzen der Zungen des Sensorelementes können durch Beschichtung verschiedener Teile der Zungen mit einer Masse, z.B. Gold, abgestimmt werden. Alternativ kann auch Masse entfernt werden, wobei eine derartige Entfernung in idealer Weise mit Hilfe eines Lasers ausgeführt wird. Zur Montage des Kristalls in seine Kapsel kann eine Technologie gemäß dem Stand der Technik verwendet werden, z.B. Kleben.
Vorzugsweise werden die Elektroniken, die zu oben offenbarten Sensorelement gehören, so nahe wie möglich an dem Sensor angeordnet, da ein Quarzkristall extrem empfindlich auf kapazitive Störungen ist. Als Folge davon sollten Hybridelektroniken bevorzugt werden, welche es möglich machen, die Abmessungen des Kreisels minimal zu halten. Das Sensorelement braucht nicht größer als ein konventioneller Uhrenquarz zu sein. Den Hauptteil des Volumens nimmt die Elektronik ein, obwohl diese eine Hybridelektronik darstellt.
Zusätzlich zur Lösung der oben dargelegten Probleme kann das neuartige Sensorelement für Kreisel entsprechend der vorliegenden Erfindung mittels ökonomisch vorteilhafter Herstellungsprozesse hergestellt werden. Ein derartiger Kreisel funktioniert mit hoher Zuverlässigkeit und Robustheit und widersteht solchen Einflußfaktoren, wie hohen Beschleunigungskräften.
Ein zur Zeit vorgeschlagenes Ausführungsbeispiel des Sensorelementes, das die herausragenden Eigenschaften der vorliegenden Erfindung zeigt, wird unten mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In den beiliegenden Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine horizontale Ansicht, die ein Stimmgabelsensorelement zeigt;
Fig. 1a zeigt die Orientierungsachsen X, Y und Z für das Element entsprechend Fig. 1;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Stimmgabel entsprechend Fig. 1;
Fig. 2a zeigt die Orientierungspfeile für die oben erwähn ten X, Y und Z-Achsen;
Fig. 3 ist eine vertikale Ansicht, die die Gestaltung einer Zunge der Stimmgabel entsprechend Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 zeigt perspektivisch ein Beispiel eines Entwurfes einer Stimmgabel, bei dem die Anordnung der Anregungs- und Sensorelektroden auf der einen Zunge dargestellt ist;
Fig. 4a ist eine schematische Ansicht, die den piezoelek trischen Effekt zeigt, der bei Aktivierung der Anregungselektroden gemäß Fig. 4 in einer Zunge auftritt;
Fig. 4b ist eine schematische Darstellung, die den piezo elektrischen Effekt für die Sensorelektroden auf der Zunge zeigt;
Fign. 5 bis 7 stellen einen praktischen Entwurf von Anre gungs- und Sensorelektroden dar;
Fign. 8 bis 10 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel der Anordnung der Elektroden im Verhältnis zu der in den Fig. 5 bis 7 dargestellten; und
Fign. 11 bis 12 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung der Elektroden.
Mit Hinweis auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 die grundsätzliche Ausrüstung (die Geometrie) des Sensorelementes 1. Das Element enthält zwei Zungen 2, 3. In diesem Fall ist die Querschnittsfläche der Zungen über die gesamte Länge der Zunge konstant. Es ist jedoch auch möglich, die Zungen mit einer veränderlichen Querschnittsfläche zu gestalten. Die Zungen sind starr mit der Basis 4 der Stimmgabel verbunden. Diese besteht zum größten Teil aus einer rechtwinkligen Struktur. Das gesamte Sensorelement mit den Zungen 2, 3 und der Basis 4 ist aus einem einzigen piezoelektrischem Stück hergestellt. Zum Beispiel kann für seine Herstellung eine Quarzkristalltechnologie nach dem Stand der Technik verwendet werden, was bedeutet, daß die Stimmgabel eine konstante Dicke sowohl für die Zungen als auch für die Basis entsprechend den Fign. 2 und 3 erhält. Zur Schwingungsisolation der Ankerflächen gegen die Schwingungen der Zungen können dann Ausschnitte 5, 6 oder entsprechende Vorsprünge an der Basis eingesetzt werden.
Kristallografisch ist zu bevorzugen, daß die Zungen parallel zur piezoelektrisch-mechanischen Achse liegen, der Y- Achse in Fig. 1a. Die Dicke der Stimmgabel sollte in der optischen Achse liegen, die in den Fign. 1a und 2a als Z- Achse dargestellt ist. Die Breite der Zungen wird dann in der elektrischen Richtung liegen in den Fign. 1a und 2a entlang der X-Achse. Die X- und die Z-Achse können auch ihre Plätze tauschen, aber für den Rest der Ausführungen dieser Patentbeschreibung wird angenommen, daß die Stimmgabel in der X-Y-Richtung liegt. Kleine Abweichungen des Wasserschneidwinkels und in der Orientierung der Stimmgabel können vorteilhaft sein, um zum Beispiel das Temperaturverhalten oder die mechanische Kopplung zwischen den Eigenmoden der Stimmgabel zu beeinflussen.
Die Stimmgabel ist mit einer geeignet ausgewählten Anordnung von Elektroden versehen, um die Erregung einer Schwingung in der X-Y-Ebene möglich zu machen. An den Zungen sollten ebenfalls Sensorelektroden für das Abtasten der Zungenschwingung in der X-Y-Ebene angebracht sein. Ausgangsinseln/Verbindungsplatten/Kontaktmaterial, das zur Herstellung elektrischer Kontakte mit der äußeren Umgebung dient, ist an der Basis des Kristalls angebracht. Die Elektroden und ihre Ausgangsinseln sind mit Hilfe von Leiterbahnen an die Stimmgabel angeschlossen. Die Anbringung der Elektroden, Leiterbahnen und Ausgangsinseln kann durch Einsatz einer Technologie der Quarzherstellung nach dem Stand der Technik realisiert werden.
Der Kristall ist über ein Verankerungselement 7 an eine Arretierungsvorrichtung 8, zum Beispiel durch Kleben, angebracht. Natürlich kann das Verankerungselement auch durch andere Mittel als Kleben starr befestigt werden. Der Teil der Basis der Stimmgabel, welcher den Zungen gegenüber liegt, wird ideal als Klebefläche eingesetzt. Alternativ könnten auch die Seiten der Basis als Klebeflächen eingesetzt werden. Die Ausgangsplatten sind nach außen mit Hilfe von Drahtbondung, TAB (Tape Aiding Bonding), leitende Verklebung oder dergleichen elektrisch verbunden. Bei den elektrischen Anschlüssen könnte es ein Vorteil sein, wenn alle Ausgangsanschlüsse an einer Seite der Basis angeordnet wären. Ein alternatives Verfahren der Montage des Kristalls in die richtige Lage ist, das Verankerungselement der Basis starr zwischen zwei Platten zu klemmen.
Die Getaltung der Basis wird vorzugsweise in der Weise ausgewählt, daß die Schwingungen der Zungen nicht den Teil der Basis beeinflußen, welcher für die Montage eingesetzt ist. Zum Beispiel sollten die Ausgangsinseln an oder in der Nähe des Teiles der Basis, der für die Verankerung eingesetzt ist, in der Weise angeordnet werden, daß die gebondeten Drähte usw. keine dämpfende Auswirkung auf die Schwingbewegungen der Zungen besitzen. Wenn die Basis an den Schwingungen der Zungen in einem unakzeptablen Umfang teilnehmen würde ('parasitäre Schwingungen'), besteht das Risiko des Energieverlustes innerhalb der Montagefläche. Außerdem könnten äußere Schwingungen leicht die Zungen erreichen und dadurch ein falsches Kreiselsignal erzeugen.
Um die Wirkung der Umgebungsschwingungen auf die Schwingung der Stimmgabel zu minimieren - und besonders auf das Ausgangssignal - ist es von äußerster Wichtigkeit, daß die Stimmgabel und ihre Verankerung so symmetrisch wie möglich ausgeführt ist.
Das Ausgangssignal von dem Sensorelement oder dem Sensor wird von dem folgenden physikalischen Effekt abgeleitet; bei der Verwendung einer geeigneten Elektronik und geeigneten Anordnungen der Elektroden wird eine Schwingung in der X-Y-Ebene in den Zungen erzeugt. Die Amplitude dieser Schwingung wird konstant gehalten. Ihre Frequenz wird gleich einer der Resonanzfrequenzen der Zungen ausgewählt. Die ausgewählte Frequenz sollte einschließen, daß die Zungen entgegengesetzt schwingen, d.h. die Endpunkte der Zungen bewegen sich während einer halben Zeitperiode aufeinander zu und während der anderen halben Zeitperiode voneinander weg. Wenn die Stimmgabel sich über die Y-Achse dreht, werden Coriolis-Kräfte auftreten, welche eine Anregungskraft erzeugen, welche bestrebt ist, die Schwingungen in der Y-Z-Ebene anzuregen. Die Schwingungen, welche in der Y- Z-Ebene erzeugt werden, werden eine Amplitude besitzen, welche direkt proportional der aufgeprägten Rotationsgeschwindigkeit ist. Genau wie bei den Schwingungen in der X- Y-Ebene, werden sich die Zungen bei dieser Schwingung entgegengesetzt zueinander bewegen. Die resultierende Schwingung in der Y-Z-Ebene wird mit Hilfe von Elektroden detektiert, welche nur für die Schwingungen in dieser Ebene empfindlich sind. Durch die Signalverarbeitung und demodulation wird ein Gleichspannungssignal erhalten, dessen Größe direkt proportional der aufgeprägten Rotation ist. Alternativ kann die resultierende Schwingung elektrostatisch detektiert werden.
Um ein großes Ausgangssignal zu erhalten, ist es von äußerster Wichtigkeit, Resonanzfrequenzen für die zwei Schwingungen auszuwählen, welche fast identisch miteinander sind. Der Grund, warum übereinstimmende Resonanzfrequenzen nicht wünschenswert sind, ist, daß Temperaturschwankungen eine Drift der Resonanzfrequenzen mit sich bringen würden. Diese Schwankungen sind gering, aber geeignet, die Phase der Sensorschwingung in einer unakzeptablen Art und Weise zu verändern. Diesem kann durch Wahl der Resonanzfrequenzen, die sich in einem solchen Maß unterscheiden, daß Temperaturschwankungen keine spürbare Auswirkung auf die Sensorschwingungen besitzen, abgeholfen werden.
Die Herstellungsungenauigkeit der Zungen wird zu einer Ungenauigkeit in den Resonanzfrequenzen führen, welche größer ist, als die gewünschte Frequenzdifferenz zwischen den beiden benutzten Resonanzfrequenzen. Deshalb ist eine Abstimmung der Resonanzfrequenzen so erforderlich, daß die gewünschte Frequenzdifferenz erhalten wird. Diese Abstimmung kann dadurch bewirkt werden, daß Masse an geeignet ausgewählten Punkten an den Zungen hinzugefügt oder entfernt wird. Die Technologie für die Durchführung einer derartigen Zuführung beziehungsweise Entfernung von Masse kann in bekannter Weise von einen Fachmann eingesetzt werden. Da eine Frequenzdifferenz abzustimmen ist, sollte ein derartiges Abgleichen vorzugsweise nur eine der beiden Resonanzfrequenzen beeinflussen. Zum Beispiel kann die Masse an einem Punkt hinzugefügt werden, an dem die Schwingung einer der Resoanzfrequenzen einen Knoten besitzt. Da die Schwingung außerhalb der Ebene die Basis der Stimmgabel mehr beeinflußt als die Schwingung in der X-Y-Ebene, ist aus dieser Sicht, die Übergangsfläche zwischen Basis und Zunge ein geeigneter Bereich. Bei diesem Gleichgewicht sollten die Massen symmetrisch an die Zungen angebracht werden, damit kein Ungleichgewicht auftritt.
Die Elektroden 9, 10, 11 und 12, welche eingesetzt wurden, um die Zungen des Kristalls in der X-Y-Ebene zum Schwingen zu bringen, sind mit geeigneten Anregungselektroden verbunden. Eine derartige Elektronik legt eine sinusförmige elektrische Spannung über die Anregungselektroden an. Die Elektronik ist bezüglich des Kristalls so angepaßt, daß die Frequenz des Signals mit einer geeigneten Resonanzfrequenz übereinstimmt. In Fig. 4a ist eine vorgeschlagene Anordnung von Elektroden für diese Schwingung dargestellt. Diese Anordnung erzeugt in der Querschnittsfläche der Zungen ein Feld 13. Da das piezoelektrische Material, wie Quarz, unempfindlich gegenüber Feldern in der Z-Achse ist, kann das in der oben dargelegten Anordnung von Elektroden erzeugte Feld als dem elektrischen Feld 15, 16 äquivalent angenommen werden, das in dem Querschnitt 14 veranschaulicht ist. Dieses letztere Feld erzeugt in einem Teil der Zunge in der Y- Achse eine Längsdehnung und in der anderen eine Kontraktion. Die Zunge wird dann bestrebt sein, sich in der X-Y- Ebene zu verbiegen. Da die elektrische Versorgungsspannung zeitabhängig ist, wird das Feld im Querschnitt des Kristalls ebenfalls zeitabhängig und damit die Bewegung der Zungen der Stimmgabel. Auf diese Weise wird in der X-Y- Ebene die Schwingung erzeugt.
In einer Weise entsprechend der Schwingung in der X-Y-Ebene kann eine Anordnung von Elektroden 17, 18, 19 und 20 eingesetzt werden, welche nur auf Schwingungen außerhalb der Ebene der Stimmgabel empfindlich ist. Diese Elektroden 17 - 20 werden zur Abtastung einer zeitveränderlichen Abweichung von dieser Schwingungsrichtung genutzt. Wenn eine Schwingung vorhanden ist, wird die piezoelektrische Struktur deformiert. Dies führt zu Oberflächen- und Volumenänderungen. Diese Änderungen erzeugen, zusammen mit der vorgeschlagenen Anordnung von Elektroden, in dem Querschnitt 22 ein Feldverteilung 21. Diese Feldverteilung veranlaßt Elektronen, von und zu den Elektroden zu wandern. So wird ein Strom erzeugt, dessen Größe von der relevanten Schwingungsamplitude in der Y-Z-Ebene abhängt.
Die dargestellte Anordnung von Elektroden zeigt aber nur ein Beispiel. Um die gewünschte Funktion zu erhalten, können auch andere Anordnung von Elektroden, wie die vorher beschriebenen, eingesetzt werden.
Wegen der Unzulänglichkeiten bei der Herstellung wird, wenn der Kristall montiert wird, zwischen den beiden Schwingungsrichtungen eine Kopplung vorhanden sein. Dieses führt zu einem Ausgangssignal, das an den Sensorelektroden vorhanden ist, selbst wenn der Sensor keiner Rotation unterworfen ist. Dieses "Übersprechen" ist unerwünscht, da es die Leistung des Kreisels beeinträchtigt (zum Beispiel wenn man die Temperaturstabilität betrachtet). Ein Verfahren zur Eliminierung dieser Verbindung zwischen den beiden Schwingungsrichtungen ist, eine der Zungen in der Weise abzugleichen, daß die Zungen identische Schwingungseigenschaften besitzen. Ein derartiger Abgleich ist zum Beispiel an den Zungen in den Bereichen B oder B' in Fig. 1 ausgeführt.
Damit der Sensor in der Lage ist, den extrem starken mechanischen Belastungen, wie einer sehr starken Beschleunigung, zu widerstehen, muß sein Aufbau robust sein. Folglich kann der Aufbau nicht irgendein loses Einzelteil enthalten. Alle nichterforderlichen Elemente des Aufbaus sollten entfernt werden. Solche Einzelteile, welche enthalten sein müssen, sind die Zungen, um die Referenzschwingungen (in der X-Y- Ebene) erzeugen zu können, welche die Corioliskraft möglich macht. Diese Zungen müssen irgendwo verankert sein. Dadurch ist auch die Basis des Sensors unerläßlich. Diese Schwingung, welche die Corioliskraft erzeugt, muß ebenfalls abgetastet werden. Dies kann durch Integration eines mechanischen Elementes in den Sensor (Torsionsfühler) bewirkt werden. Da die Anzahl der Elemente des Sensors auf ein Minimum zu halten ist, ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Abtastung der Schwingung im Prinzip außerhalb der Zungen, welche zur Erzeugung der Referenzschwingungen eingesetzt sind, in den Bereichen erfolgen kann, wo die mechanische Belastung, die durch die Sensorschwingung verursacht wird, am größten ist.
Um die Zungen sowohl für die Anregung als auch für die Detektion nutzen zu können, ist es notwendig, daß sich die beiden für diese beiden Schwingungen erforderliche Anordnungen von Elektroden den verfügbaren Raum an den Zungen teilen. Die Elektroden müssen dann für den verfügbaren Raum optimiert werden. Elektroden, die weit entfernt von den Zungen liegen, besitzen einen geringen Wirkungsgrad, während Elektroden, die näher an den Zungen liegen, einen höheren Wirkungsgrad besitzen. Wenn die Anregungselektroden und die Sensorelektroden identische Flächen abdecken könnten, wäre die Amplitude in Anregungsrichtung am größten. Wenn eine gute Leistung der für die elektrische Anregung verwendeten Elektronik erforderlich ist, müssen diese Elektroden, um die Anforderungen an die Anregungselektronik zu vereinfachen, körpernah am Übergang zwischen Basis und Zunge angeordnet werden. Wenn es erforderlich ist, daß die Leistung der beiden Anordnungen von Elektroden keine übermäßigen wechselseitigen Unstimmigkeiten zeigen sollen, sollten die Sensorelektroden nahe an dem Übergangselement 23, 23' zwischen Basis und Zunge angeordnet werden.
Die Größe der Anregungselektroden wird dann so ausgewählt, daß die gewünschte Leistung unter Beachtung der Elektronik erreicht wird. Dieser Elektrodensitz wird nicht zuletzt deshalb bevorzugt, weil die Sensorelektroden dann einen Teil des Übergangselementes zwischen Basis und Zunge bedekken können und dadurch den Umstand nutzen, daß das Element 23, 23' der Basis während der Sensorschwingung der Zungen aktiv schwingt.
Eine Anordnung der Elektroden, welche die oben beschriebene Teilung der Zungen betrifft, ist in den Fign. 5, 6 und 7 enthalten. Diese Anordnung sollte nur als ein mögliches Verfahren der Realisierung des obigen Konzeptes angesehen werden. Die Fign. 8, 9 und 10 zeigen eine entsprechende Anordnung, wenn die Anregungs- und Sensorelektroden die Plätze vertauscht haben. In den ersten Figuren 5, 6 und 7 wurden die Leiterbahnen im Hinblick auf die Minimierung der Anzahl der Ausgangsinseln 24 eingesetzt und alle Ausgangsinseln an einer Seite der Stimmgabel angeordnet. Wenn die Sensorelektroden am nächsten an der Basis angebracht werden, sollte die Grenzlinie zwischen Anregungs- und Sensorelektroden in einem Abstand zwischen 20 und 40 Prozent der Zungenlänge von der Basis angeordnet werden. In den Fign. 8, 9 und 10 ist die Anzahl der Ausgangsinseln (Leitermaterial) größer.
In den Fign. 5, 6 und 7 ist der Bereich zwischen 30 und 80 Prozent der Zungenlänge - gerechnet von der Basis - an allen Seitenflächen der Zungen mit Anregungselektroden bedeckt. In Fig. 5 wurden zwei der Anregungselektroden mit den Referenzzahlen 25 und 26 gekennzeichnet. Die Anregungselektroden sind durch die Zwischenschaltung der Leiterbahnen 27 mit den Kontaktinseln 24 verbunden. Um die Störgrößen zu und von den Leiterbahnen zu minimieren, wurden diese so miteinander gepaart, daß das von ihnen herrührende Störfeld zweipoliger Natur ist. Die Sensorelektroden 28, 29 und 30 sind durch die Zwischenschaltung der Leiterbahnen 31 mit ihren Verbindungsinseln verbunden. Die Sensorelektroden sind an beiden Seiten der Sensoren angeordnet. Die Kontaktinseln können entweder an einer Seite oder an beiden Seiten der Sensoren angeordnet sein.
In den Fign. 8 - 10 sind Sensorelektroden 32, 33, 34 und 35 an den äußersten freien Enden der Zungen angeordnet. Zwei wechselseitig gegenüberstehende Seiten der Zungen sind mit Sensorelektroden bedeckt, von welchen nur eine Seite in Fig. 8 gezeigt ist. In diesem Fall sind die Anregungselektroden am Boden der Zungen angeordnet und erstrecken sich abwärts über das Übergangselement 23'. In diesem Fall ist an jeder Zungenoberfläche ein Anregungselektrodenpaar 36, 37 eingesetzt. Die Verbindungen zu den Kontaktinseln 24 wird durch die Zwischenschaltung der Leiterbahnen 38 erreicht. Die Kontaktinseln 24 entsprechend Fig. 8 bedecken große Teile der Verankerungselemente an dem Sensorelement.
Die Fign. 11 und 12 veranschaulichen noch eine weitere Variation bei der Anordnung der Sensor- und Anregungselektroden an der Stimmgabel, zum Teil von der vorderen (Fig. 11) und zum Teil von der hinteren Seite (Fig. 12).
In diesem Fall sind die Anregungselektroden 39, 40, 41 an den äußersten freien Enden der Zungen sowohl an der vorderen als auch der hinteren Seite angeordnet. Die Anregungselektroden 40 und 41 sind als Seitenelektroden ausgebildet. Die Anregungselektroden sind mit Kontaktinseln 42, 43 und 44 verbunden, wobei die Kontaktinsel 44 als Kondensator ausgebildet ist.
Die Sensorelektroden 45, 46, 47 sind am Boden der Zungen angeordnet und erstrecken sich nach unten über Teile des Übergangselementes 23". Die Sensorelektroden sind sowohl an der vorderen als auch an der hinteren Fläche angeordent und jede ist durch die Zwischenschaltung von Leiterbahnen mit ihrer entsprechenden Kontaktinsel S+, S- verbunden.
Zwei Scheinleiterbahnen 48, 49 für die Kompensation der Streukapazitäten sind an der vorderen Fläche der Stimmgabel angeordnet und erstrecken sich von den Zungen in den Bereich zwischen die Anregungs- und Sensorelektroden zu den Kontaktinseln 50, 51 an der Basis der Stimmgabel.
Die bisher betrachteten Strukturen basieren auf dem sogenannten Stimmgabelprinzip. Es besteht jedoch kein Grund, eine Stimmgabel nicht auch so auszuführen, daß sie nur eine einzige Zunge besitzt. Ihre Funktion wird die gleiche sein. Auch in einem solchen Fall werden die Zungen Elektroden sowohl für die Anregung als auch für die Detektion enthalten. Die Vorteile jedoch, die einer Stimmgabel mit zwei Zungen innewohnen, bestehen darin, daß die Schwingungen in den zwei Schwingungsrichtungen mehr in den Zungen konzentriert sind, im Vergleich damit, wenn nur eine Zunge vorgesehen wird. Daher wird die Beeinflussung des Kreisels durch seine Umgebung niedriger, wenn zwei Zungen verwendet werden. Natürlich können auch Systeme entworfen werden, die mehr als eine Stimmgabel enthalten.
Die verwendeten Resonazfrequenzen sind direkt proportional zur resultierenden mechanischen Festigkeit der Zungen. Folglich darf die eingesetzte Frequenz nicht zu niedrig sein. Gleichzeitig wird durch den Einsatz einer hohen Resonanzfrequenz die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber äußeren Schwingungen herabgesetzt.

Claims

1. Sensorelement (1) für ein Kreiselgerät, bestehend aus einem langgestreckten Körper, der mindestens ein langgestrecktes Element enthält, welches Zungen (2,3) bildet und ein erstes und ein zweites Ende besitzt, wobei das erste Ende in zwei senkrecht zueinander liegenden Ebenen, die als X-Y-Ebene und als Y-Z-Ebene bezeichnet sind, frei schwingen kann, und das zweite Ende in einem Gebilde (8) starr befestigt ist, welches sich über eine in den Ebenen liegenden Längsachse drehen kann, und der langgestreckte Körper an seinem zweiten starr befestigten Ende ein Übergangselement (23, 23') und ein Ankerelement (7) enthält, welche nicht in merklichen Maße an der Schwingung teilnehmen, sowie Anregungs- und Sensorelektroden (9 - 12, 17 - 20) für das piezoelektrische Erregen und Detektieren der Schwingungen des ersten Endes, wobei die Anregungselektroden (9 - 12) die Schwingungen in einer Ebene senkrecht zu der Ebene anregen, in welcher die Sensorelektroden (17 - 20) die Schwingungen detektieren, wobei die letzteren Schwingungen durch die auf das Sensorelement (1) wirkenden Corioliskräfte erzeugt werden, wenn das Sensorelement über die Längsachse gedreht wird, und einer Verbindungsvorrichtung (24) auf dem Ankerelement zur Herstellung einer metallischen Verbindung zur äußeren Elektronik, wobei die Verbindungsvorrichtung mit den Anregungs- und Sensorelektroden über Leiterbahnen (27, 31, 38) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Körper, der das mindestens eine langgestreckte Element (2, 3) enthält, das Übergangselement (23, 23') und das Ankerelement (7) aus einem einzigen Stück aus Piezomaterial, zum Beispiel Quarz, hergestellt sind, daß die Verbindungsmittel, die an dem Ankerelement angeordnet sind, aus Kontaktinseln (24) bestehen, die auf dem piezoelektrischem Material des Ankerelementes des langgestreckten Körpers aufgebracht sind, und daß die Anregungs- und Sensorelektroden auf dem piezoelektrischen Material an dem schwingfähigen Ende des langgestreckten Körpers angeordnet sind und es in beträchtlichen Maße bedecken.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Körper an seinem frei schwingenden ersten Ende gabelartig geteilt ist.

3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenzen der langgestreckten Elemente mit einer Ausgleichsmasse oder -massen, zum Beispiel aus Gold, abgestimmt werden.

4. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein geringes Volumen mit einer totalen Länge von höchstens 6 mm und einer maximalen Dicke von 0,6 mm besitzt.

5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangselement (23, 23') mit Ausschnitten und/oder Vorsprüngen (5, 6) ausgestattet ist, welche die Übertragung von Schwingungen zwischen den Zungen und dem Ankerelement verhindern.

6. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes langgestreckte Element beziehungsweise jede Zunge eine Anordnung von Anregungselektroden trägt, welche die Anregung von Schwingungen der Zungen in der X-Y-Ebene ermöglichen, und daß jede Zunge eine Anordnung von Sensorelektroden besitzt, welche die Detektion der Schwingungen in der Y-Z-Ebene möglich macht.

7. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte Körper bezüglich der X-Y-Ebene und der Y-Z-Ebene symmetrisch aufgebaut ist.

8. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleich am äußersten Ende der entsprechenden Zungen (2, 3) erfolgt.

9. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichmassen auf der Zunge an einem Punkt angebracht werden, wo eine der Schwingungen einen Knoten besitzt.

10. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sensorelektroden näher an dem Ankerelement als an den Anregungselektroden plaziert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzlinie zwischen den Anregungselektroden und den Sensorelektroden 20 und 40 Prozent der entsprechenden Zungenlänge von dem Ankerelement entfernt ist.