DE69119715T2

DE69119715T2 - Kreisel mit Rundstab als Piezovibrator

Info

Publication number: DE69119715T2
Application number: DE69119715T
Authority: DE
Inventors: Chikara Mashiko; Hiroshi Shimizu; Tetsuo Yoshida
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2011-11-30
Also published as: DE69119715D1; US5336960A; EP0488370A3; EP0488370A2; EP0488370B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Vibrator zur Benutzung in einem Kreisel nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Kreisel mit piezoelektrischen Vibratoren werden normalerweise in Lagesteuersystemen, Navigationssystemen und andern benutzt. Das piezoelektrische Material des Vibrators wird in einem elektromechanischen Meßaufnehmer benutzt. Solch ein Meßaufnehmer wird piezoelektrischer Meßaufnehmer genannt. Der piezoelektrische Meßaufnehmer kann eine elektrische Energie in eine mechanische Energie oder Vibration umwandeln und kann die mechanische Energie oder Vibration in elektrische Energie oder ein Signal umwandeln.
Der piezoelektrische Meßaufnehmer wird in einem Kreisel benutzt.
Der den piezoelektrischen Meßaufnehmer benutzende Kreisel benutzt die Corioliskraft. Im einzelnen, der piezoelektrische Meßaufnehmer treibt einen schwingenden Körper. Wenn der schingende Körper mit einer Drehgeschwindigkeit unter der Bedingung gedreht wird, daß der schwingende Körper in einer Richtung schwingt, wird die Corioliskraft in einer Richtung senkrecht zu der Schwingung erzeugt. Somit wird der schwingende Körper weiter in die senkrechte Richtung aufgrund der Corioliskraft geschwungen. Die Schwingung aufgrund der Corioliskraft wird in dem piezoelektrischen Meßaufnehmer in ein elektrisches Signal umgewandelt, daß die Drehgeschwindigkeit darstellt.
Bei bekannten piezoelektrischen Kreiseln sind einer oder mehrere piezoelektrische Meßaufnehmer fest unter Benutzung eines Klebstoffes auf einem metallischen schwingenden Körper angebracht, wie im einzelnen im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben wird.
Folglich ist der bekannte Kreisel schwierig mit einer konstanten Genauigkeit wegen der Benutzung des Klebstoffes herzustellen.
Ein piezoelektrischer Vibrator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist in der Druckschrift GB-A-2 111 209 gezeigt. Dieser Vibrator besteht aus einem kreisförmigen Stiel und einer Scheibe an einer Endfläche des Stieles. Die Scheibe weist eine Mehrzahl von Elektroden auf, die darauf zum Erregen einer Torsionsschwingung des Stieles abgeschieden sind. Der Stiel weist längliche Elektroden darauf zum Vorsehen eines Ausgangssignales auf, daß durch die Torsionsschwingung erzeugt wird.
Die Druckschrift EP-A-O 153 189 offenbart eine Kreiselvorrichtung, die eine Mehrzahl von auf einer piezoelektrischen Vorrichtung angebrachten Elektroden aufweist und spezielle Elektroden zum Erzeugen eines Signales benutzt, das wiederum zum Bestimmen der Winkelgeschwindigkeit des piezoelektrischen Elementes benutzt wird. Eine dünne Scheibe und eine dünnwandige zylindrische Hülle sind in die Dickenrichtung davon polarisiert. In dem Oszillationsmodus der Scheibe und der Hülle ändern sich ihre Formen wiederholt zwischen ersten Ellipsen, die zylindrisch zu den ursprünglichen Kreisen sind, und zweiten Ellipsen mit ähnlicher Form und ebenfalls konzentrisch dazu, wobei die Hauptachsen in rechten Winkeln zu denen der ersten Ellipsen liegen.
Die Druckschrift DE-A-3 926 504 offenbart eine Kreiselvorrichtung, die einen Vibrator mit einer dreieckigen Metallstange und piezoelektrische Meßaufnehmer aufweist. Die dreieckige Metallstange kann bei einer Resonanzfrequenz in drei Richtungen senkrecht zu den jeweiligen drei Oberflächen der dreieckigen Metallstange schwingen. Die dreieckige Metallstange selbst ist jedoch nicht aus einem piezoelektrischen Material gemacht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Vibrator zur Benutzung in einem Kreisel vorzusehen, der eine einfache Struktur und stabile Eigenschaften aufweist.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe gelöst durch einen piezoelektrischen Vibrator wie er in Anspruch 1 angegeben ist. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Kreiselsystem, das solch einen piezoelektrischen Vibrator aufweist.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines bekannten Kreisels, der eine Stimmgabel mit piezoelektrischen Meßaufnehmern benutzt;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen bekannten Kreisels, der eine metallische schwingende rechteckige Stange mit piezoelektrischen Meßaufnehmern benutzt;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen bekannten Kreisels, der eine metallische schwingende dreieckige Stange mit piezoelektrischen Meßaufnehmern benutzt;
Fig. 4 ist eine Draufsicht, die die Schwingung der dreieckigen Stange des Kreisels von Fig. 3 darstellt;
Fig. 5 ist eine Draufsicht, die verschiedene Schwingungen der dreieckigen Stange in dem Kreisel von Fig. 3 darstellt;
Fig. 6 ist eine Draufsicht, die verschiedene Schwingungen der dreieckigen Stange in dem Kreisel von Fig. 3 darstellt;
Fig. 7 ist eine Draufsicht, die die Tätigkeit des Kreisels von Fig. 3 darstellt;
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Vibrators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist eine Draufsicht, die die Polarisation eines Beispieles des Vibrators von Fig. 8 darstellt;
Fig. 10 ist eine Draufsicht, die die Schwingungen des Vibrators von Fig. 9 unter Anlegen einer Treiberspannung über ein Paar benachbarter Elektroden darstellt;
Fig. 11 ist eine Draufsicht, die eine Schwingung des Vibrators von Fig. 9 unter Anlegen einer Treiberspannung über verschiedene Paare benachbarter Elektroden darstellt;
Fig. 12 ist eine Draufsicht, die die resultierenden Schwingungen des Vibrators in Fig. 11 darstellt;
Fig. 13 ist eine Draufsicht, die eine Schwingung des Vibrators von Fig. 9 unter Anlegen einer Treiberspannung über verschiede Paare benachbarter Elektroden mit entgegengesetzten Phasen darstellt;
Fig. 14 ist eine Draufsicht, die eine resultierende Schwingung des Vibrators in Fig. 13 darstellt;
Fig. 15 ist ein Blockschaltbild eines Kreisels, der den piezoelektrischen Vibrator von Fig. 9 benutzt;
Fig. 16 ist eine Ansicht, die eine Variation von Fig. 11 darstellt;
Fig. 17 ist eine Ansicht, die eine resultierende Schwingung des Vibrators in Fig. 16 darstellt;
Fig. 18 und 19 zeigen verschiedene Schaltungen zum Steuern der an die Elektroden angelegten Treiberspannung;
Fig. 20 ist eine Draufsicht, die eine Polarisation eines anderen Beispieles des Vibrators von Fig. 8 darstellt;
Fig. 21 ist eine Draufsicht, die eine Schwingung des Vibrators von Fig. 20 unter Anlegen einer Treiberspannung über ein Paar benachbarte Elektroden darstellt;
Fig. 22 ist eine Draufsicht, die eine Schwingung des Vibrators von Fig. 20 unter Anlegen einer Treiberspannung über verschiede Paare benachbarter Elektroden darstellt;
Fig. 23 ist eine Draufsicht, die eine Schwingung des Vibrators von Fig. 20 unter Anlegen einer Treiberspannung mit umgekehrten Phasen über verschiede Paare benachbarter Elektroden darstellt;
Fig. 24 ist eine Draufsicht, die eine Variation von Fig. 23 bei dem Anlegen der Treiberspannung darstellt;
Fig. 25 ist ein Blockschaltbild eines Kreisels, der den piezoelektrischen Vibrator von Fig. 20 benutzt;
Fig. 26 ist eine Draufsicht eines piezoelektrischen Vibrators gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Darstellung der Polarisation;
Fig. 27 ist eine Draufsicht, die eine Schwingung des Vibrators von Fig. 26 unter Anlegen einer Treiberspannung über ein Paar benachbarter Elektroden darstellt;
Fig. 28 ist eine Draufsicht, die eine Schwingung des Vibrators von Fig. 26 unter Anlegen einer Treiberspannung über verschiedene Paare benachbarter Elektroden darstellt;
Fig. 29 ist eine Draufsicht, die eine resultierende Schwingung des Vibrators in Fig. 28 darstellt;
Fig. 30 ist eine Draufsicht, die eine Schwingung des Vibrators von Fig. 26 unter Anlegen einer Treiberspannung über verschiedene Paare benachbarter Elektroden mit entgegengesetzten Phasen darstellt;
Fig. 31 ist eine Draufsicht, die die resultierende Schwingung des Vibrators in Fig. 30 darstellt; und
Fig. 32 ist ein Blockschaltbild eines Kreisels, der den piezo-. elektrischen Vibrator von Fig. 26 benutzt.
Vor der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden einige bekannte Kreisel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 1, ein darin gezeigter bekannter Kreisel enthält eine Stimmgabel, die zwei schwingende Zungen 100 und 100' aufweist. Zusätzliche schwingende Zungen 102 und 102' sind auf den oberen Enden der schwingenden Zungen 100 bzw. 100' so angebracht, daß die zusätzlichen schwingenden Zungen 102 und 102' in eine Richtung senkrecht zu der Schwingung der schwingenden Zungen 101 und 101' schwingen. Die Stimmgabel einschließlich der zusätzlichen schwingenden Zungen weist eine Resonanzfrequenz auf. Vier piezoelektrische Meßaufnehmer 103 bis 106 sind auf Oberflächen dieser schwingenden Zungen 101, 101', 102 bzw. 102' angebracht und daran mit Klebstoff befestigt.
Jeder der piezoelektrischen Meßaufnehmer 103 bis 106 weist eine dünne piezoelektrische Platte, die in eine Richtung der Dicke polarisiert ist, und Elektroden, die auf beiden Oberflächen gebildet sind, auf.
Wenn an die piezoelektrischen Meßaufnehmer 103 und 104 als eine Treiberspannung eine Wechselspannung mit einer Frequenz angelegt wird, die eine Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz aufweist, werden die schwingenden Zungen 101 und 101' zum Schwingen in der Dickenrichtung angeregt, wie bei dem Pfeil X gezeigt ist, und die zusätzlichen schwingenden Zungen 102 und 102' werden ebenfalls in die X-Richtung geschwungen.
Wenn in dem schwingenden Zustand dieser Zungen die Stimmgabel mit einer Drehgeschwindigkeit um ihre Mittenachse 0, wie bei einem Pfeil A gezeigt ist gedreht wird, wird die Corioliskraft in der Richtung Y senkrecht zu der Schwingungsrichtung X erzeugt. Als Resultat schwingen die zusätzlichen schwingenden Zungen 102 und 102' in die Y-Richtung, und die piezoelektrischen Meßaufnehmer 105 und 106 schwingen in die Dickenrichtung. Da der piezoelektrische Effekt umkehrbar ist, erzeugen die piezoelektrischen Meßaufnehmer 105 und 106 eine Ausgangsspannung proportional zu der Drehgeschwindigkeit der Stimmgabel.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 2, ein anderer bekannter darin gezeigter Kreisel weist einen Vibrator aus einer rechteckigen Metallstange 107 und zwei piezoelektrische Meßaufnehmer 108 und 109 auf, die an zwei benachbarten Oberflächen der rechteckigen Metallstange 107 angebracht und daran durch Klebstoff befestigt sind. Die rechteckige Metallstange kann ebenfalls in zwei Richtungen X und Y senkrecht zueinander und senkrecht zu den benachbarten Oberflächen der rechteckigen Metallstange 107 mit einer Resonanzfrequenz schwingen. Jeder der piezoelektrischen Meßaufnehmer 108 und 109 ist ähnlich den piezoelektrischen Meßaufnehmern 103 bis 106 in Fig. 1 gemacht.
Wenn der piezoelektrische Meßaufnehmer 108 mit einer Treiberspannung mit einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz versehen wird, wird die Metallstange 107 zum Schwingen in der X-Richtung senkrecht zu der Oberfläche, auf der der piezoelektrische Meßaufnehmer 108 angebracht ist, angetrieben. In dem Zustand, in dem die Metallstange 107 mit einer Drehgeschwindigkeit gedreht wird, wird die Corioliskraft in der senkrechten Richtung Y erzeugt und schwingt die Metallstange 107 in die Y- Richtung. Folglich erzeugt der andere piezoelektrische Meßaufnehmer 109 eine Ausgangsspannung proportional zu der Drehgeschwindigkeit.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 3, ein anderer bekannter Kreisel weist einen Vibrator aus einer dreieckigen Metallstange 110 und drei piezoelektrischen Meßaufnehmern 111 bis 113 auf. Die Metallstange 110 kann bei einer Resonanzfrequenz in drei Richtungen senkrecht zu den drei entsprechenden Oberflächen der dreieckigen Stange 110 schwingen. Jeder der drei piezoelektrischen Meßaufnehmer 111 bis 113 ist ähnlich den piezoelekrischen Meßaufnehmern 103 bis 106 in Fig. 1 gemacht.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 4, wenn an einem piezoelektrischen Meßaufnehmer 111 eine Treiberspannung Vi mit einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz angelegt wird, schwingt die Metallstange 110 in die Richtung (die bei dem Pfeil X gezeigt ist) senkrecht zu der Oberfläche, auf der der piezoelektrische Meßwandler 111 angebracht ist.
Der piezoelektrische Effekt ist umkehrbar. Wenn daher die dreieckige Stange 110 bei der Resonanzfrequenz in der X-Richtung durch eine andere äußere Kraft schwingt, erzeugt der piezoelektrische Meßaufnehmer 111 eine Ausgangsspannung entsprechend einem Niveau der Schwingung.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 5, wenn die Treiberspannung Vi an die benachbarten piezoelektrischen Meßaufnehmer 111 und 112 mit der gleichen Phase angelegt wird, wird die dreieckige Stange 110 zum Schwingen in der X-Richtung durch den piezoelektrischen Meßaufnehmer 111 und zum Schwingen durch den anderen piezoelektrischen Meßaufnehmer 112 in die Y-Richtung senkrecht zu der Oberfläche, auf der der piezoelektrische Meßaufnehmer 112 angebracht ist, angetrieben. Als Resultat schwingt die dreieckige Stange 110 in eine resultierende Richtung, die durch einen Pfeil R gezeigt ist, der senkrecht zu der anderen Oberfläche ist, auf der der verbleibende piezoelektrische Meßaufnehmer 113 angebracht ist.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, erzeugen, wenn die dreieckige Stange 110 in der Richtung R bei der Resonanzfrequenz schwingt, die piezoelekrischen Meßaufnehmer 111 und 112 einer Ausgangsspannung entsprechend einem Niveau der Schwingung.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 6, wenn die Treiberspannung an den piezoelektrischen Meßaufnehmer 111 und an den piezoelektrischen Meßaufnehmer 112 mit umgekehrten Phasen angelegt wird, wie durch vi und vi gezeigt ist, sind die Schwingungen in der X- und Y-Richtung in der Phase unterschiedlich zu denen von Fig. 5. Angenommen, daß die Phase der X-Richtungsschwingung in Fig. 6 gleich der in Fig. 5 ist, ist die Phase der Y-Richtungsschwingung in Fig. 6 umgekehrt zu der in Fig. 5. Folglich ist die Richtung der resultierenden Schwingung parallel zu der anderen Oberfläche, auf der der verbleibende piezoelektrische Meßaufnehmer angebracht ist, wie durch einen Pfeil R' gezeigt ist.
Wenn, wie in Fig. 6 gezeigt ist, die dreieckige Stange 110 in der Richtung R' durch irgendeine andere externe Kraft bei der Resonanzfrequenz schwingt, erzeugen die piezoelektrischen Meßaufnehmer 111 und 112 eine Ausgangsspannung der umgekehrten Phasen zueinander aber mit einem Spannungsniveau entsprechend dem Niveau der Schwingung.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 7, wenn die dreieckige Stange 110 in eine Richtung A mit einer Drehgeschwindigkeit auf einer Mittelachse der Stange unter Anlegen der Treiberspannung Vi an die piezoelektrischen Meßaufnehmer 111 und 112 gedreht wird, erzeugt die Corioliskraft C in der Richtung C senkrecht zu der Schwingungsrichtung R. Folglich schwingt die dreieckige Spannung 110 in der C-Richtung. Als Resultat erzeugen die piezoelektrischen Meßaufnehmer 111 und 112 Ausgangsspannungen von umgekehrten Phasen vc und c. Daher gibt es eine Spannungsdifferenz (vi + vc) - (vi + c) über die Anschlüsse der beiden piezoelektrischen Meßaufnehmer 111 und 112. Die Spannungsdifferenz ist proportional zu der Drehgeschwindigkeit der dreieckigen Stange 110.
Die oben erwähnten bekannten Kreisel weisen Probleme auf, wie sie in der Beschreibungseinleitung beschrieben sind.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 8, eine piezoelektrische Schwingung wird zur Benutzung in einem piezoelektrischen Kreisel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der piezoelektrische Vibrator weist einen Rundstab 10 eines piezoelektrischen Materiales wie BaTiO&sub3; und PbTixZr&sub1;-O&sub3; auf.
Der Stab 10 ist ein starrer länglicher Körper, er kann jedoch ein hohler länglicher Körper wie eine Röhre oder ein Rohr sein. Der Stab 10 weist eine kreisförmige zylindrische Außenoberfläche und eine Mittelachse in einer Längsrichtung auf und kann eine Biegungsschwingung in eine beliebige radiale Richtung bei einer Resonanzfrequenz fr ausführen, die durch die folgende Gleichung bestimmt ist:
D: Durchmesser des Stabes
L: Länge des Stabes
E: Elastizitätsmodul
φ = Dichte
m: Konstante, die durch die Schwingungsordnung bestimmt ist.
Eine Mehrzahl von (2n, wobei n eine ganze Zahl größer 2 ist) länglichen Elektroden 20 ist auf der Außenoberfläche des Stabes 10 gebildet und gleichen Winkelabständen voneinander so angeordnet, daß sie sich parallel zueinander entlang der Mittelachse des Stabes 10 erstrecken.
Alternativ ist die Außenoberfläche des Stabes vollständig mit einer Schicht aus einem Material, das eine Elektrode bildet, z.B. durch Platieren bedeckt, und die Schicht wird teilweise durch z.B. die Photoätztechnik entfernt, die ebenfalls im Stand der Technik gut bekannt ist. So werden die länglichen Elektroden 20 gebildet.
Die Zahl der Elektroden 20 ist nicht begrenzt, aber sie ist bevorzugt sechs oder acht in Hinblick auf die Leichtigkeit und die Genauigkeit der Elektrodenherstellungstätigkeit. Die Beschreibung wird bezüglich eines Beispieles mit sechs Elektroden unten gegeben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 9, sechs Elektroden 11 bis 16 sind an in gleichen Abständen voneinander angeordneten Positionen auf der Außenoberfläche des Stabes 10 gebildet. Diese Elektroden 11 bis 16 werden in eine erste und eine zweite Gruppe unterteilt. Die erste Gruppe ist eine Menge von drei Elektroden 11, 13 und 15, die ungeradzahlige Elektroden sind, wenn sie von der Elektrode 11 an gezählt sind, und die zweite Gruppe ist eine andere Menge der verbleibenden Elektroden 12, 14 und 16, die die geradzahligen sind. Die Elektroden 11, 13 und 15 in der ersten Gruppe sind elektrisch mit einem gemeinsamen Anschluß 21 durch elektrische Leitungen verbunden. Die Elektroden 12, 14 und 16 in der zweiten Gruppe sind elektrisch mit einem gemeinsamen Anschluß 22 durch elektrische Leitungen verbunden. DC-Spannungen werden über die Anschlüsse 21, 22 so angelegt, daß der piezoelektrische Stab 10 polarisiert wird. Es sei angenommen, daß die negative und die positive der DC-Spannung an den ersten bzw. zweiten Anschluß 21 bzw. 22 angelegt wird, dann wird der piezoelektrische Stab 10 in die Richtungen polarisiert, die durch die gestrichelten Pfeile in der Figur dargestellt sind. Das heißt, der Stab 10 ist an Räumen D1 bis D6 zwischen benachbarten der Elektroden 11 bis 16 polarisiert. Die Polarisation an jedem Raum ist von einer der Elektroden 12, 14 und 16 der zweiten Gruppe zu einer der Elektroden 11, 13 und 15 der ersten Gruppe gerichtet, die den Raum bestimmen.
Jetzt wird der Betrieb des wie in Fig. 9 gezeigten polarisierten piezoelektrischen Vibrators beschrieben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 10, wenn eine alternative Spannung einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz entspricht, über die benachbarten Elektroden 11 und 12 als Treiberspannung vi angelegt wird, expandiert und kontrahiert der elektrische Stab 10 an dem Raumabschnitt G1 zwischen den benachbarten Elektroden 11 und 12. Im einzelnen, wenn ein elektrisches Feld durch die Treiberspannung in der Richtung, wie polarisiert ist, an dem Raumabschnitt G1 erzeugt wird, expandiert der Raumabschnitt G1. Wenn andererseits ein elektrisches Feld durch die Treiberspannung in der umgekehrten Richtung zu der Polarisation an dem Raumabschnitt G1 erzeugt wird, kontrahiert der Raumabschnitt G1. Als Resultat führt der piezoelektrische Stab 10 Biegeschwingungen in einer diametralen Richtung, wie durch einen Pfeil X gezeigt ist, entlang einer Ebene durch, die eine Mitte des Raumabschnittes G1 und der Mittelachse des Stabes 10 verbindet.
Da der piezoelektrische Effekt reversibel ist, wird, wenn der piezoelektrische Stab 10 in der Richtung X durch eine andere externe Kraft schwingt, eine Ausgangsspannung über die benachbarten Elektroden 11 und 12 proportional zu einem Niveau der Schwingung erzeugt. Ein anderes Paar von benachbarten Elektroden 15 und 14 ist symmetrisch zu dem Paar von Elektroden 11 und 12 in Bezug auf einen Durchmesser senkrecht zu der Schwingungsrichtung X angeordnet. Wenn folglich der Stab 10 in der X-Richtung aufgrund des Anlegens der Treiberspannung vi über die Elektroden 11 und 12 schwingt, wird eine Ausgangsspannung über die Elektroden 15 und 14 aus ähnlichen Gründen erzeugt. Die Ausgangsspannung ist proportional einem Niveau der Schwingung und wird als vi bestimmt, wenn der Umwandlungsverlust vernachlässigt wird.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 11, wenn die Treiberspannung vi weiter über andere benachbarte Elektroden 13 und 12 zusätzlich zu den benachbarten Elektroden 11 und 12 in Fig. 10 angelegt wird, führt der piezoelektrische Stab 10 weiter die Biegeschwingung in einer anderen diametralen Richtung, die durch einen Pfeil Y gezeigt ist, entlang einer Ebene aus, die eine Mitte des Raumabschnittes G2 und die Mittelachse des Stabes 10 verbindet. Als Resultat werden die x-Richtungsschwingung und die Y-Richtungsschwingung zusammengesetzt, und der piezoelektrische Stab 10 schwingt in einer resultierenden Richtung, wie durch einen Pfeil R in Fig. 12 gezeigt ist. Die resultierende Richtung R ist eine diametrale Richtung entlang einer Ebene, die eine Mitte der Mittelelektrode 12 und die Mittelachse des Stabes 10 verbindet.
In Fig. 12 sind Elektroden 16, 15 und 14 symmetrisch zu den Elektroden 11, 12 und 13 in Bezug auf einen Durchmesser senkrecht zu der Schwingungsrichtung R angeordnet. Wenn folglich der Stab 10 in der R-Richtung aufgrund des Anlegens der Treiberspannung vi über die Elektroden 11 und 12 und über die Elektroden 13 und 12 schwingt, wird eine Ausgangsspannung über die Elektroden 15 und 16 und über die Elektroden 14 und 15 aus dem ähnlichen Grund wie in Fig. 10 erzeugt. Die Ausgangsspannung ist proportional zu einem Niveau der Schwingung und wird als vi bestimmt, wenn der Umwandlungsverlust vernachlässigt wird.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 13, die Treiberspannung v&sub1; wird über die benachbarten Elektroden 11 und 12 wie in Fig. 11 angelegt, und die Treiberspannung vi wird ebenfalls über die benachbarten Elektroden 13 und 14 aber als eine Treiberspannung i in der umgekehrten Phase im Vergleich mit Fig. 11 angelegt. Daher wird die Schwingung in der X-Richtung ähnlich wie die in Fig. 11 erzeugt, aber die Schwingung in der Y-Richtung wird als eine Schwingung Y' einer umgekehrten Phase im Vergleich zu Fig. 11 erzeugt. Folglich werden die Schwingungen in die X-Richtung und Y'-Richtung zusammengesetzt, und der piezoelektrische Stab 10 schwingt in einer resultierenden Richtung R', wie in Fig. 14 gezeigt ist. Es ist zu verstehen, daß die Richtung R' senkrecht zu der Richtung R in Fig. 12 ist.
In Fig. 14 sind die anderen Elektroden 16, 15 und 14 ebenfalls symmetrisch zu den Elektroden 11, 12 und 13 in Bezug auf einen Durchmesser in der Schwingungsrichtung R' angeordnet. Wenn folglich der Stab 10 in der R'-Richtung aufgrund des Anlegens der Treiberspannung vi und i über die Elektroden 11 und 12 bzw. die Elektroden 13 und 12 schwingt, werden Ausgangsspannungen umgekehrter Phase über die Elektroden 15 und 16 bzw. über die Elektroden 14 und 15 aus dem ähnlichen Grund wie in Fig. 12 erzeugt. Die Ausgangsspannungen sind proportional zu der Schwingung in der R'-Richtung, und sie sind als vi und i bestimmt, wenn der Umwandlungsverlust vernachlässigt wird.
Es wird jetzt Bezug genommen auf Fig. 15, eine Beschreibung wird in Hinblick eines piezoelektrischen Kreiselsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben. Das Kreiselsystem benutzt den piezoelektrischen Vibrator, wie er oben in Zusammenhang mit den Fig. 8 bis 14 beschrieben ist.
Die Elektroden 11 und 13 sind an Masse gelegt, und die Treiberspannung vi ist an die Elektrode 12 angelegt. Folglich schwingt der piezoelektrische Stab 10 in der Richtung R, wie oben in Zusammenhang mit Fig. 11 und 12 beschrieben wurde.
Wenn in diesem Zustand der Vibrator mit einer Drehgeschwindigkeit in einer Richtung eines Pfeiles A um die Mittelachse des Stabes 10 gedreht wird, wird die Corioliskraft C in der Richtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung R erzeugt, und der piezoelektrische Stab 10 schwingt in der Richtung von C.
Die Elektroden 16 und 14 sind mit einem Komparator 23 oder Differenzialverstärker verbunden, und die Elektrode 15 ist auf Masse gelegt.
Wenn der Umwandlungsverlust vernachlässigt wird, wird eine Ausgangsspannung Vi an den Elektroden 16 und 14 aufgrund der Schwingung in der R-Richtung erzeugt, wie in Zusammenhang mit Fig. 12 beschrieben wurde, ünd Ausgangsspannungen vc und c umgekehrter Phasen werden an den Elektroden 16 und 14 aufgrund der Schwingung in der C-Richtung erzeugt, wie in Zusammenhang mit Fig. 14 beschrieben wurde. Als Resultat sind die Spannungen (vi + vc) und (vi + c) an den Elektroden 16 und 14 vorhanden. Der Komparator 23 erzeugt eine Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen (vi + vc) und (vi + c) als eine erfaßte Ausgangsspannung (2vc), die proportional zu der Drehgeschwindigkeit ist.
Wenn der piezoelektrische Stab und die Elektroden mit einem Abmessungsfehler hergestellt sind, ist der Vibrator nicht symmetrisch, und der Komparator 23 erzeugt eine Fehlerspannung, selbst wenn der Messaufnehmer nicht gedreht wird. Die Fehlerspannung variiert in Abhängigkeit von dem Abmessungsfehler.
Damit die Variation der Fehlerspannung von dem Komparator aufgrund des Abmessungsfehlers aufgelöst wird, werden die an die Elektroden 11, 12 und 13 angelegten Treiberspannungen einstellbar gemacht.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 16, die Mittelelektrode 12 ist auf Masse gelegt, und an die Elektroden 11 und 13 werden Treiberspannungen vi und vi, angelegt, die einstellbar sind. Der piezoelektrische Stab 10 schwingt in der X-Richtung aufgrund des Anlegens von vi über die Elektroden 11 und 12 und ebenfalls in die Y-Richtung aufgrund des Anlegens von vi, über die Elektroden 13 und 12. Das Schwingungsniveau in jede der X- und Y-Richtung kann durch Einstellen jeder der Spannungsniveaus von vi und vi, gesteuert werden. Folglich kann die resultierende Schwingungsrichtung R der X- und Y-Richtung durch Steuern von vi und vi, so eingestellt werden, daß sie mit einer diametralen Richtung entlang einer Ebenen zusammenfällt, die eine Mittellinie der Mittelelektrode 12 und die Mittelachse des Stabes 10 verbindet, wie in Fig. 17 gezeigt ist.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 18, eine Quellenspannung v wird durch einen variablen Widerstand 21 in vi und vi, geteilt, die an die Elektroden 11 bzw. 13 angelegt werden. Die Spannungen vi und vi, können durch Einstellen des variablen Widerstandes 21 gesteuert werden.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 19, die Quellenspannung v&sub0; wird in vi und vii durch einen Spannungstransformator 22 transformiert, und sie werden an die Elektroden 11 und 13 angelegt. Der Transformator 22 weist einen einstellbaren Kern auf, der, wie durch einen Pfeil gezeigt ist, so bewegbar ist, daß ein Koppelfaktor zwischen einer Primär- und Sekundärwindung des Transformators variiert wird. Die Spannungen vi und vi, können durch Betätigen des einstellbaren Kernes eingestellt werden.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 20, acht Elektroden 11 bis 18 sind an in gleichen Winkelabständen voneinander angeordneten Positionen auf der Außenoberfläche des Stabes 10 gebildet. Diese Elektroden 11 bis 18 sind in eine erste und in eine zweite Gruppe eingeteilt. Die erste Gruppe ist eine Menge von vier Elektroden 11, 13, 15 und 17, die ungeradzahlige Elektroden sind, wenn von der Elektrode 11 gezählt wird, und die andere Gruppe ist eine andere Menge der verbleibenden Elektroden 12, 14, 16 und 18, die geradzahlige sind. Die Elektroden 11, 13, 15 und 17 in der ersten Gruppe sind elektrisch mit einem gemeinsamen Anschluß 21 durch elektrische Leitungen verbunden. Die Elektroden 12, 14, 16 und 18 in der zweiten Gruppe sind elektrisch mit einem gemeinsamen Anschluß 22 durch elektrische Leitungen verbunden. DC-Spannungen sind über die Anschlüsse 21 und 22 so angelegt, daß der piezoelektrische Stab 10 polarisiert ist. Es sei angenommen, daß der positive und der negative Pol der DC-Spannung an den ersten bzw. zweiten Anschluß 21 und 22 angelegt ist, dann ist der piezoelektrische Stab 10 in den Richtungen polarisiert, wie sie durch gestrichelte Pfeile in der Fig. dargestellt sind. Das heißt, der Stab 10 ist in den Räumen G1 bis G8 zwischen benachbarten der Elektroden 11 bis 18 polarisiert. Die Polarisation eines jeden Raumes ist zu einer der Elektroden 12, 14, 16 und 18 der zweiten Gruppe von einer der Elektroden 11, 13, 15 und 17 der ersten Gruppe gerichtet, die den Raum bestimmen.
Jetzt wird die Tätigkeit des piezoelektrischen Vibrators beschrieben, der, wie in Fig. 20 gezeigt ist, polarisiert ist.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 21, wenn eine alternative Spannung einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz entspricht, über die benachbarten Elektroden 11 und 12 als Treiberspannung vi angelegt wird, expandiert und kontrahiert der piezoelektrische Stab 10 an dem Raumabschnitt G1 zwischen den benachbarten Elektroden 11 und 12, wie in Fig. 10. Als ein Resultat führt der piezoelektrische Stab 10 Biegeschwingungen in einer diametralen Richtung, wie durch einen Pfeil X1 gezeigt ist, entlang einer Ebenen aus, die eine Mitte des Raumabschnittes G1 und die Mittelachse des Stabes 10 verbindet. Da der piezoelektrische Effekt reversibel ist, wird, wenn der piezoelektrische Stab 10 in die Richtung X1 durch eine andere externe Kraft schwingt, eine Ausgangsspannung über die benachbarten Elektroden 11 und 12 proportional zu einem Niveau der Schwingung erzeugt. Die Ausgangsspannung ist proportional zu einem Niveau der Schwingung und als vi bestimmt, wenn der Umwandlungsverlust vernachlässigt wird.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 22, wenn eine Treiberspannung vi weiter über andere benachbarten Elektroden 13 und 12 zusätzlich zu den benachbarten Elektroden 11 und 12 in Fig. 21 angelegt wird, führt der piezoelektrische Stab 10 weiter die Biegeschwingung in einer anderen diametralen Richtung, wie durch einen Pfeil X2 gezeigt ist, entlang einer Ebenen aus, die eine Mitte des Raumabschnittes G2 und die Mittelachse des Stabes 10 verbindet. Als Resultat werden die X1-Richtungsschwingung und die X2-Richtungsschwingung zusammengesetzt, und der piezoelektrische Stab 10 schwingt in einer resultierenden Richtung, wie durch einen Pfeil R in der Figur gezeigt ist. Die resultierende Richtung R ist eine diametrale Richtung entlang einer Ebenen, die eine Mitte der Mittenelektrode 12 und die Mittelachse des Stabes 10 verbindet.
In Fig. 22, wenn der Stab 10 in der R-Richtung aufgrund einer anderen externen Kraft schwingt, wird eine Ausgangsspannung über die Elektroden 12 und 13 und über die Elektroden 12 und 11 erzeugt. Die Ausgangsspannung ist proportional einem Niveau der Schwingung in der R-Richtung.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 23, die Treiberspannung vi wird über die Elektroden 11 bis 13 wie in Fig. 22 angelegt. Daher schwingt der Stab 10 in die Xl- und X2-Richtung wie in Fig. 22. Weiterhin wird die Treiberspannung i auch über die Elektroden 15 bis 17 mit umgekehrter Phase im Vergleich zu der der Elektroden 11 bis 13 angelegt. Daher wird die Treiberspannung für die Elektroden 15 bis 17 durch vi dargestellt. Die Elektroden 15 bis 17 sind symmetrisch zu den Elektroden 11 bis 13 in Bezug auf die Mitte des Stabes 10 positioniert. Folglich schwingt der Stab 10 weiter in die Richtungen, die durch die Pfeile X3 und X4 gezeigt sind. Als Resultat schwingt der Stab 10 in eine resultierende Richtung R1, die ähnlich zu der Richtung R ist.
In Fig. 23, wenn der Stab 10 in der Richtung R1 durch irgend eine externe Kraft ohne Anlegen vi und i schwingt, ist zu verstehen, daß Ausgangsspannungen umgekehrter Phasen an den Elektroden 12 und 16 in Bezug auf die auf Masse liegenden Elektroden 11, 13, 15 und 17 erzeugt werden.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 24, die Treiberspannungen der umgekehrten Phasen vi und i werden an die Elektroden 13 bis 15 und 17 bis 19 angelegt, die um 90 Winkelgrad entfernt von den Elektroden positioniert sind, an die vi und vi in Fig. 23 angelegt werden. Folglich schwingt der Stab 10 i einem ähnlichen Muster wie Fig. 23, die Schwingungsrichtungen Y1, Y2, Y3 und Y4 sind jedoch um 90 Winkelgrad von X1, X2, X3 und X4 in Fig. 23 verschoben. Daher ist auch die resultierende Schwingungsrichtung R2 um 90 Winkelgrad von R1 in Fig. 23 verschieden.
In Fig. 24, die Ausgangsspannungen umgekehrter Phase werden auch an Elektroden 14 und 18 erzeugt, wenn der Stab 10 in der R2-Richtung durch irgendeine externe Kraft schwingt.
Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 25, ein piezoelektrisches Kreiselsystem nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt den piezoelektrischen Vibrator, wie er oben in Zusammenhang mit den Fig. 20 bis 24 beschrieben wurde.
Die Treiberspannungen vi und i werden an den Vibrator auf ähnliche Weise wie in Fig. 23 gezeigt angelegt. Folglich schwingt der piezoelekrische Stab 10 in der Richtung R1, wie in Zusammenhang mit Fig. 23 beschrieben wurde.
Wenn in diesem Zustand der Vibrator mit einer Drehgeschwindigkeit in einer Richtung eines Pfeiles A auf der Mittelachse des Stabes 10 gedreht wird, wird die Corioliskraft C in der Richtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung R1 erzeugt, und der piezoelektrische Stab 10 schwingt in der Richtung C. Die Schwingungsrichtung C ist ähnlich der Richtung R2 in Fig. 24. Daher werden Ausgangsspannungen vc und c mit umgekehrten Phasen an den Elektroden 14 und 18 aufgrund der Schwingung in der C-Richtung erzeugt, wie in Zusammenhang mit Fig. 24 beschrieben wurde.
Die Elektroden 14 und 18 sind mit einem Komparator 23 oder einem Differenzialverstärker verbunden. Der Komparator 23 erzeugt eine Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen vc und c als eine erfaßte Ausgangsspannung (2vc), die proportional zu der Drehgeschwindigkeit ist.
Bei der in Fig. 8 bis 25 gezeigten Ausführungsform weist der piezoelektrische Vibrator eine gerade Zahl von Elektroden auf.
Es ist möglich, einen ähnlichen piezoelektrischen Vibrator herzustellen, der eine ungerade Zahl von Elektroden aufweist und der in dem Kreisel benutzt werden kann.
Wenn eine ungerade Zahl von Elektroden auf einem kreisförmigen Stab eines piezoelektrischen Materiales zum Bilden des Vibrators gebildet ist, müßen die Elektroden in einem Winkelbereich von (360 Winkelgrad x 2/3) auf einer Außenoberfläche des Stabes angeordnet sein. Die Zahl von Elektroden ist nicht begrenzt, aber 5 oder 7 ist in Hinsicht auf die Leichtigkeit und die Genauigkeit des Elektrodenherstellungsbetriebes bevorzugt. Die Beschreibung wird bezüglich eines Beispieles mit fünf Elektroden unten gegeben.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 26, fünf Elektroden 11 bis 15 sind an in gleichen Winkelabständen voneinander angeordneten Positionen innerhalb eines Winkelbereiches von (360 Winkelgrad x 2/3) auf der Außenoberfläche des Stabes 10 gebildet. Diese Elektroden 11 bis 15 sind in eine erste und eine zweite Gruppe unterteilt. Die erste Gruppe ist eine Menge von drei Elektroden 11, 13 und 15, die ungeradzahlige Elektroden sind, wenn von der Elektrode 11 gezählt wird, und die zweite Gruppe ist eine andere Menge der verbleibenden Elektroden 12 und 14, die die geradzahligen sind. Die Elektroden 11, 13 und 15 in der ersten Gruppe sind elektrisch mit einem gemeinsamen Anschluß durch elektrische Leitungen verbunden. Die Elektroden 12 und 14 in der zweiten Gruppe sind elektrisch mit einem gemeinsamen Anschluß 22 durch elektrische Leitungen verbunden. DC-Spannung ist über die Anschlüße 21 und 22 so angelegt, daß der piezoelektrische Stab 10 polarisiert wird. Es sei angenommen, daß der positive und der negative Pol der DC-Spannung an den ersten bzw. zweiten Anschluß 21 und 22 angelegt ist, dann wird der piezoelektrische Stab 10 in die Richtungen polarisiert, die durch die gestrichelten Pfeile in der Figur dargestellt sind. Das heißt, der Stab 10 ist an Räumen G1 bis G5 zwischen benachbarten der Elektroden 11 bis 15 polarisiert. Die Polarisation an jedem Raum ist von einer der Elektroden 11, 13 und 15 der ersten Gruppe zu einer der Elektroden 12 und 14 der zweiten Gruppe gerichtet, die den Raum bestimmen.
Jetzt wird der Betrieb des piezoelektrischen Vibrators beschrieben, der wie in Fig. 26 gezeigt polarisiert ist.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 27, wenn eine alternative Spannung einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz über die benachbarten Elektroden 11 und 12 als Treiberspannung vi angelegt wird, expandiert und kontrahiert der piezoelektrische Stab 10 an dem Raumabschnitt G1 zwischen den benachbarten Elektroden 11 und 12 auf ähnliche Weise wie Fig. 10. Als Resultat führt der piezoelektrische Stab 10 Biegeschwingungen in einer diametralen Richtung, wie sie durch einen Pfeil X gezeigt ist, entlang einer Ebene aus, die eine Mitte des Raumabschnittes G1 und die Mittelachse des Stabes 10 verbindet.
Da der piezoelektrische Effekt reversibel ist, schwingt der piezoelektrische Stab 10 in der Richtung X durch irgendeine andere externe Kraft, eine Ausgangsspannung wird über die benachbarten Elektroden 11 und 12 proportional zu dem Niveau der Schwingung erzeugt. Die Ausgangsspannung ist proportional zu einem Niveau der Schwingung und ist als vi bestimmt, wenn der Umwandlungsverlust vernachlässigt wird.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 28, wenn die Treiberspannung vi weiter über andere benachbarte Elektroden 13 und 12 zusätzlich zu den benachbarten Elektroden 11 und 12 in Fig. 27 angelegt wird, führt der piezoelektrische Stab 10 weiter Biegeschwingungen in einer anderen diametralen Richtung, wie durch einen Pfeil Y gezeigt ist, entlang einer Ebene durch, die eine Mitte des Raumabschnittes G2 und die Mittelachse des Stabes 10 verbindet. Als Resultat werden die X-Richtungsschwingung und die Y-Richtungsschwingung zusammengesetzt, und der piezoelektrische Stab 10 schwingt in einer resultierenden Richtung, wie sie durch einen Pfeil R in Fig. 29 gezeigt ist. Die resultierende Richtung R ist eine diametrale Richtung entlang einer Ebene, die eine Mitte der Mittelelektrode 12 und der Mittelachse des Stabes 10 verbindet.
In Fig. 29, wenn der Stab 10 in der R-Richtung durch irdend eine andere externe Kraft schwingt, wird eine Ausgangsspannung über die Elektrode und jeder der Elektroden 11 und 13 erzeugt. Die Ausgangsspannung ist proportional zu einem Niveau der Schwingung und ist als vi bestimmt, wenn der Umwandlungsververlust vernachlässigt wird.
Es wird Bezug genommen auf F4g. 30, die Elektroden 11, 13 und 15 der ersten Gruppe sind auf Masse gelegt, und die anderen Elektroden 12 und 14 der zweiten Gruppe werden mit der Treiberspannung vi der gleichen Phase versorgt. Folglich schwingt der piezoelektrische Stab 10 in der Richtung, die bei X' gezeigt ist, aufgrund des Anlegens der Treiberspannung vi über die Elektrode 12 und jede der Elektroden 11 und 13, wie oben in Zusammenhang mit Fig. 28 und 29 beschrieben wurde. Auf ähnliche Weise schwingt der piezoelektrische Stab 10 in eine Richtung (durch Y' gezeigt) symmetrisch zu der Richtung X' aufgrund des Anlegens der Treiberspannung vi über die Elektrode 14 und jede der Elektroden 13 und 15. Die X'-Richtungsschwingung und die Y'-Richtungsschwingung werden zusammengesetzt, so daß der piezoelektrische Stab 10 in eine resultierende Richtung schwingt, die durch einen Pfeil R' in der Figur gezeigt ist. Die Richtung R' ist eine diametrale Richtung entlang einer Ebene, die eine Mittellinie der mittleren Elektrode 13 und die Mittelachse des Stabes 10 verbindet.
In diesem Zusammenhang, wenn der Winkelbereich, in dem die Elektroden 11 bis 15 gebildet sind, größer als (360 Winkelgrad x 2/3) ist, überschreitet ein Winkel zwischen der X'-Richtung und der symmetrischen Richtung Y' 120 Winkelgrad, so daß die zusammengesetzte Schwingung nachteilhafter Weise kleiner als jede der Schwingungen in der X'- und Y'-Richtung wird. Folglich sollten die ungeraden Zahlen von Elektroden 11 bis 15 innerhalb des Winkelbereiches von (360 Winkelgrad x 2/3) gebildet sein.
In Fig. 30, wenn der Stab 10 in der R'-Richtung durch irgendeine andere externe Kraft schwingt, wird eine Ausgangsspannung an jeder der Elektroden 12 und 14 erzeugt. Die Ausgangsspannung ist proportional einem Niveau der Schwingung und ist als vi bestimmt, wenn der Umwandlungsverlust vernachlässigt wird.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 31, wenn die Treiberspannung vi an die Elektroden 12 und 14 in umgekehrter Phase als vi und i angelegt wird, schwingt der piezoelektrische Stab 10 in die X'- Richtung und Y-Richtung ähnlich zu Fig. 30. Die Phase der Schwingung in der X'- und der Y'-Richtung ist jedoch umgekeht. Folglich wird die Y'-Richtung durch einen Pfeil Y'' in der Fig. gezeigt, der im Vergleich mit dem Pfeil Y' in Fig. 30 umgekehrt ist. Daher werden die X-Richtungsschwingung und die Y''-Richtungsschwingung zusammengesetzt, so daß der piezoelektrische Stab 10 in eine resultierende Richtung schwingt, die durch einen Pfeil R'' in der Figur gezeigt ist. Die Richtung R'' ist senkrecht zu der Richtung R' in Fig. 30.
In Fig. 31, wenn der Stab 10 in der R''-Richtung durch irgendeine andere externe Kraft schwingt, wird eine Ausgangsspannung an den Elektroden 12 und 14 mit einer umgekehrten Phase erzeugt. Die Ausgangsspannung ist proportional einem Niveau der Schwingung und wird als vi und i bestimmt, wenn der Umwandlungsverlust vernachlässigt wird.
Jetzt wird Bezug genommen auf Fig. 32, ein piezoelektrisches Kreiselsystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfidnung benutzt den piezoelektrischen Vibrator, wie er oben in Zusammenhang mit Fig. 26 bis 31 beschrieben wurde.
Die Elektroden 11, 13 und 15 sind auf Masse gelegt, und die Treiberspannung vi wird an die Elektroden 12 und 14 mit der gleichen Phase angelegt. Daher schwingt der piezoelektrische Stab in die Richtug R' ähnlich zu Fig. 30. Wenn in diesem Zustand der piezoelektrische Stab 10 mit einer Drehgeschwindigkeit in einer Richtung, die durch den Pfeil A gezeigt ist, um die Mittelachse des Stabes 10 gedreht wird, wird die Coiroliskraft C erzeugt, und der Stab 10 schwingt in der Richtung von C. Die C-Richtung ist senkrecht zu der Richtung R' und daher ähnlich zu der Richtung R'' in Fig. 31.
In Hinblick auf den Zusammenhang mit Figur 31 beschriebenen Betrieb werden Ausgangsspannungen umgekehrter Phasen an den Elektroden 12 und 14 aufgrund der Schwingungen erzeugt, die durch die Corioliskraft erzeugt werden.
Die Elektroden 12 und 14 sind mit einem Komparator 23 verbunden. Der Komparator 23 vergleicht die Spannungen an den Elektroden 12 und 14 zum Erzeugen eines Fehlersignales. Das Fehlersignal ist eine erfaßte Spannung, die die Drehgeschwindigkeit des Stabes darstellt.

Claims

1. Piezoelektrischer Vibrator zur Benutzung in einem Kreisel, der einen Rundstab (10) aus einem piezoelektrischen Material, wobei der Rundstab (10) eine kreisförmige zylindrische Außenfläche und eine Mittelachse entlang einer Längsrichtung aufweist, und eine Mehrzahl von länglichen Elektroden (11 bis 18), die auf der Außenoberfläche parallel zueinander zu der Mittelachse gebildet sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rundstab (10) eine Biegeschwingung in jeder vorgewählten radialen Richtung bei einer Resonanzfrequenz ausführen kann, wobei der Rundstab (10) durch die Mehrzahl von länglichen Elektroden (11 bis 18) in eine Richtung von einer jeden einer speziellen der Elektroden (11 bis 18) und anderen ungeradzahligen Elektroden, die von der speziellen Elektrode gezählt sind, zu zwei geradzahligen Elektroden benachbart zu der jeden einen Elektrode polarisiert ist, mindestenes zwei der Mehrzahl von länglichen Elektroden (11 bis 18) auch Eingangselektroden sind zum Anlegen eines Treibersignales mit einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz zum Schwingen des kreisförmigen Stabes (10) in eine vorbestimmte diametrale Richtung und mindestens zwei der Mehrzahl von länglichen Elektroden (11 bis 18) auch Ausgangselektroden sind zum Erzeugen von Ausgangssignalen aufgrund der Schwingung, die durch die Corioliskraft verursacht wird, die durch die Rotation des kreisförmigen Stabes (10) mit einer Drehgeschwindigkeit erzeugt wird.

2. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektroden jene einen der Mehrzahl von länglichen Elektroden (11 bis 18) sind, die symmetrisch in Bezug auf die vorbestimmte diametrale Richtung positioniert sind.

3. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Elektroden (11 bis 18) eine gerade Zahl ist, die gerade Zahl von Elektroden an in gleichen Winkelabständen voneinander angeordneten Positionen auf der Außenoberfläche des kreisförmigen Stabes (10) angeordnet sind.

4. Piezoelektrioscher Vibrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Elektroden (11 bis 18) sechs ist.

5. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Elektroden (11 bis 18) acht ist.

6. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Elektroden (11 bis 18) eine ungerade Zahl ist, die ungerade Zahl von Elektroden (11 bis 18) an in gleichen Winkelabständen voneinander angeordneten Positionen innerhalb eines Winkelbereiches von (360 Winkelgrad x 2/3) auf der Außenoberfläche des kreisförmigen Stabes (10) angeordnet sind.

7. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Elektroden (11 bis 18) fünf ist.

8. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 4, bei dem die Eingangselektroden benachbarte drei Elektroden sind, die vorgewählte diametrale Richtung entlang einer Ebenen, die eine Mitte einer mittleren der benachbarten drei Elektroden mit der Mittelachse des kreisförmigen Stabes verbindet liegt, die Ausgangselektroden drei Elektroden sind, die symmetrisch zu den Eingangselektroden in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der vorbestimmten diametralen Richtung angeordnet sind.

9. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 5, bei dem die Eingangselektroden eine erste Gruppe von drei benachbarten Elektroden und eine zweite Gruppe von drei Elektroden symmetrisch zu der ersten Gruppe von Elektroden in Bezug auf die Mittelachse des Stabes sind, wobei das Treibersignal an die erste Gruppe und an die zweite Gruppe mit zueinander umgekehrten Phasen angelegt sind und die Ausgangselektroden die verbleibenden zwei Elektroden sind.

10. Piezoelektrischer Vibrator nach Anspruch 7, der eine mittlere und vier andere Elektroden an beiden Seiten der mittleren Elektrode aufweist, wobei die Eingangselektroden zwei Elektroden benachbart zu der mittleren Elektrode sind, die vorbestimmte diametrale Richtung entlang einer Ebenen ist, die eine Mitte der mittleren Elektrode und die Mittelachse des kreisförmigen Stabes verbindet und die Ausgangselektroden die speziellen Elektroden sind.

11. Kreiselsystem mit:

einem piezoelektrischen Vibrator nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und

einem Antriebsmittel zum Anlegen eines Treibersignales mit einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz an die Eingangselektroden zum Anregen der Biegeschwingung des kreisförmigen Stabes (10) in einer vorbestimmten diametralen Richtung, wobei die Ausgangselektroden Ausgangssignale aufgrund der Schwingung erzeugen, die von der Corioliskraft verursacht wird, die durch Rotation des kreisförmigen Stabes (10) mit einer Drehgeschwindigkeit erzeugt wird; und

einem Mittel das mit dem Ausgangselektroden verbunden ist und auf die Ausgangssignale zum Erzeugen eines erfaßten Signales reagiert, das die Drehgeschwindigkeit darstellt.

12. Kreiselsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibersignal steuerbar in einem Spannungspegel zum Anlegen an gegenüberliegende Elektroden der drei Eingangselektroden in Bezug auf die Mittelelektrode ist.