DE69316745T2

DE69316745T2 - Drehgeschwindigkeitsdetektorschaltung

Info

Publication number: DE69316745T2
Application number: DE69316745T
Authority: DE
Inventors: Fumio Nakajima
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1993-11-15
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2013-11-16
Also published as: EP0636860A1; WO1994011706A1; EP0636860A4; EP0636860B1; US5420548A; JP3421720B2; DE69316745D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Detektieren einer Rotationswinkelgeschwindigkeit unter Verwendung eines einen Oszillator umfassenden Winkelgeschwindigkeitssensors und insbesondere eine Schaltung zum Detektieren einer Rotationswinkelgeschwindigkeit, die äußerst präzise Messungen liefern und in Massenproduktion gefertigt werden kann.

Technischer Hintergrund

Mechanische Gyroskope des Rotationstyps wurden herkömmlicherweise als Instrumente zur Trägheitsnavigation von Flugzeugen und Schiffen eingesetzt. Diese Gyroskope zeigen zwar eine stabile Leistung, doch sie sind groß und teuer. Es ist schwierig, sie als kleine Geräte herzustellen.
Die Verwendung von Oszillator-Winkelgeschwindigkeitssensoren, die die Corioliskraft von einem detektierenden Element auf ein vibrierendes Objekt detektieren, wurde in den letzten Jahren weiterentwickelt. In diesen Sensoren wird die Masse eines Gyroskops mit einer spezifischen Frequenz vibriert. Wenn eine Rotationskraft auf die Masse ausgeübt wird, wird eine Corioliskraft mit der gleichen Frequenz in der zur Vibration der Masse rechtwinkeligen Richtung erzeugt. Das Prinzip des Oszillator- Winkelgeschwindigkeitssensors sieht die Messung der Massevibration dieser Kraft zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit vor.
Eine Schaltung zum Detektieren der Winkelgeschwindigkeit mittels eines Winkelgeschwindigkeitssensors auf der Basis dieses Prinzips ist z.B. in JP-A- 1 72711/1991 geoffen bart. Der in dieser Patentanmeldung geoffenbarte Oszillator ist ein Koppeloszi 1 lator mit einer Stimmgabelstruktur, umfassend Vibratoreinheiten, die jeweils aus einem Antriebs- und einem Detektorabschnitt bestehen, die rechtwinkelig zueinander verbunden sind, und diese Vibratoreinheiten verbindende Koppelblöcke.
Üblicherweise wurden Metalle mit unveränderlicher Elastizität wie z.B: Elinvar oder PZT-artige piezoelektrische Keramikmaterialien als Oszillatoren verwendet. Im Falle von Oszillatoren mit einem Metall unveränderlicher Elastizität werden Elektroden auf der Metalloberfläche ausgebildet, ein dünnes piezoelektrisches Element wird an den Elektroden befestigt, und dann wieder Elektroden auf dem piezoelektrischen Element ausgebildet.
Eine Oszillatorschaltung zum Vibrieren eines Oszillators besteht hauptsächlich aus einem Verstärker und einer Rückkopplungsschaltung. Die folgenden Formeln (1) und (2) gelten für die Vibrationsbedingungen der Schaltung:
> α β > 1 (1)
θ1 + θ2 = 360º (2)
worin α der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist, θ1 die Übertragungsrate der Rückkopplungsschaltung ist, β die Übertragungsrate der Rückkopplungsschaltung ist und θ2 die Phasenverzögerung ist. Um die Bedingung der Formel (2) zu erfüllen, benutzen herkömmliche Vibratorschaltungen für Winkelgeschwindigkeitsschaltungen ein System, um eine Phasenverzögerung von 360º für eine Schleife unter Ausnützung einer Phasenverzögerung von 180º am Verstärker, einer Phasenverzögerung von 90º durch eine Phasenschaltung, die eine Kombination von Widerständen und Kondensatoren umfasst, und einer weiteren Phasenverzögerung von 90º durch einen Widerstand und die Kapazität des piezoelektrischen Elements selbst zu erzielen.
Herkömmliche Winkelgeschwindigkeitsdetektorschaltungen erfordern somit nicht nur eine Phasenschaltung, sie müssen auch eine Phasenverschiebung durch einen Widerstand und die Kapazität des piezoelektrischen Elements selbst erzeugen. Aufgrund dieser Tatsache kann die Übertragungsrate β der Rückkopplungsschaltung und ihre Phasenverzögerung θ2 infolge von Änderungen in der Konstante der Phasenschaltung variieren, die durch Temperaturschwankungen hervorgerufen werden, wodurch die Vibration instabil wird. Wenn eine Rotationskraft ausgeübt wird, wird die durch die Corioliskraft im Oszillator erzeugte Vibration ebenfalls instabil. Dies führt zur Erzeugung von Drift im Detektorschaltungsausgang und somit zu einer ungenauen Bestimmung.
Außerdem erfordert eine Abnahme der Übertragungsrate β in der Rückkopplungsschaltung aufgrund des Widerstands der Phasenschaltung einen höheren Verstärkungsfaktor α für den Verstärker oder das Vorsehen zweier oder mehrerer Verstärker. Um die Vibration durch Aufrechterhalten der Übertragungsrate β der Rückkopplungsschaltungskonstante zu stabilisieren, muss eine herkömmliche Spannungserzeugungsschaltung vorhanden sein. Dies macht die Detektorschaltung kompliziert.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um diese Probleme zu lösen, und stellt eine Schaltung zum Detektieren einer Rotationswinkelgeschwindigkeit bereit, die mit einer Oszillatorschaltung mit einfacher Struktur ausgestattet ist, die Vibrationen in sehr stabiler Weise erzeugen kann, und die hochpräzise Messungen liefert und in Massenproduktion gefertigt werden kann.
EP-A-0503807 offenbart einen Trägheitssensor mit einendiger Stimmgabel. Der Sensor besitzt ein Gehäuse und eine einendige Stimmgabel aus einem quarzartigen Material vorbestimmter Dicke. Die Stimmgabel besitzt eine erste und zweite Zinke, die in einer Ebene liegen und eine Symmetrieachse sowie eine Körperform aufweisen, die einstückig mit der ersten und zweiten Zinke ist. Der Körper ist starr am Gehäuse befestigt. Die Zinken besitzen einen rechteckigen Querschnitt und eine Breite, die sich von der Dicke unterscheidet. Der Körper weist eine Stielform auf, deren Breite geringer als jene des Körpers ist. Antriebselektroden sind an den Zinken angebracht. Eine Schwingungsfrequenz wird an die obigen Antriebselektroden angelegt, um die Zinken in einem Antriebsmodus und in der Präsenz einer axialen Winkelrate zu erregen, sodass sie in einem Aufnahmemodus operieren, dessen Frequenz im wesentlichen vom Antriebsmodus getrennt ist.

Offenbarung der Erfindung

In einem ersten Aspekt bietet die vorliegende Erfindung eine Winkelgeschwindigkeitsdetektorschaltung, umfassend:
einen Quarzkristalloszillator mit zwei Zinken mit quadratischem Querschnitt im oberen Teil der Basis sowie erste und zweite Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass:
die ersten Elektroden zum Antrieb des Oszillators auf der gesamten Länge von zumindest einer Ebene der beiden parallelen Ebenen in den beiden Zinken des Quarzkristalloszillators angebracht sind,
die zweiten Elektroden zur Abnahme des durch Drehung des Quarzkristalloszillators erzeugten elektrischen Felds auf den gesamten Längen der gleichen und/oder (einer) unterschiedlichen Ebene(n) wie jene Ebene in einem der beiden Zinken des Quarzkristalloszillators angeordnet sind, auf der die erste Elektrode montiert ist, weiters umfassend:
eine Oszillatorschaltung mit einem invertierenden Verstärker, wo bei der Eingangsanschluss mit einer der ersten Elektroden und der Ausgangsanschluss mit einer der zweiten Elektroden des Quarzkristalloszillators verbunden ist,
eine Differenzverstärkerschaltung, wobei der Eingangsanschluss mit den zweiten Elektroden des Quarzkristalloszillators verbunden ist,
eine Detektorschaltung, die das Ausgangssignal aus der Differenzverstärkerschaltung empfängt und das Ausgangssignal aus der Oszillatorschaltung als Detektorsignale verwendet, und
eine Ausgangsverstärkerschaltung, die das Ausgangssignal aus der Dektorschaltung empfängt.
In einer Ausführungsform umfasst die Schaltung zum Detektieren der Winkelgeschwindigkeit gemäß der Erfindung einen Quarzkristalloszillator, der mit einer ersten Elektrode zum Antrieb des Oszillators und einer zweiten Elektrode, die rechtwinkelig zur ersten Elektrode zur Abnahme eines durch durch Drehung des Oszillators erzeugten elektrischen Felds ausgestattet ist; eine Oszillatorschaltung mit einem invertierenden Verstärker, wobei der Eingangsanschluss mit der ersten Elektrode und der Ausgangsanschluss mit der zweiten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Differenzverstärkerschaltung, wobei der Eingangsanschluss mit der zweiten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Detektorschaltung, die das Ausgangssignal aus der Differenzverstärkerschaltung empfängt und das Ausgangssignal aus der Oszillatorschaltung als Detektorsignale venvendet; und eine Ausgangsverstärkerschaltung, die das Ausgangssignal aus der Detektorschaltung empfängt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schaltung zum Detektieren einer Winkelgeschwindigkeit einen Quarzkristalloszillator, der mit einer ersten Elektrode, die auf zwei parallelen Ebenen des Oszillators zum Antrieb desselben eingebaut ist, und einer zweiten Elektrode, die rechtwinkelig zur ersten Elektrode zur Abnahme eines durch Drehung des Oszillators erzeugten elektrischen Felds eingebaut ist, versehen ist; eine Oszillatorschaltung mit einem invertierenden Verstärker, wobei der Eingangsanschluss mit einem Teil der ersten Elektrode verbunden ist und der Ausgangsanschluss mit dem anderen Teil der ersten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Differenzverstärkerschaltung, wobei der Eingangsanschluss mit der zweiten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Detektorschaltung, die das Ausgangssignal aus der Differenzverstärkerschaltung empfängt und das Ausgangssignal aus der Oszillatorschaltung als Detektorsignale verwendet; und eine Ausgangsverstärkerschaltung, die das Ausgangssignal aus der Detektorschaltung empfängt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schaltung zum Detektieren einer Winkelgeschwindigkeit einen Quarzkristalloszillator, der mit einer ersten Elektrode und einer zweiten, rechtwinkelig zur ersten Elektrode eingebauten Elektrode zum Antrieb des Oszillators versehen ist; eine dritte Elektrode, die in der gleichen Ebene wie der Oszillator als Teil der zweiten Elektrode zur Abnahme eines durch Drehung des Oszillators erzeugten elektrischen Felds eingebaut ist; eine Oszillatorschaltung mit einem invertierenden Verstärker, wobei der Eingangsanschluss mit der ersten Elektrode und der Ausgangsanschluss mit der zweiten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Differenzverstärkerschaltung, wobei der Eingangsanschluss mit der dritten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Detektorschaltung, die das Ausgangssignal aus der Differenzverstärkerschaltung empfängt und das Ausgangssignal aus der Oszillatorschaltung als Detektorsignale verwendet; und eine Ausgangsverstärkerschaltung, die das Ausgangssignal aus der Detektorschaltung empfängt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schaltung zum Detektieren einer Winkelgeschwindigkeit einen Quarzkristalloszillator, der mit einer ersten Elektrode und einer zweiten, rechtwinkelig zur ersten Elektrode eingebauten Elektrode zum Antrieb des Oszillators versehen ist; eine dritte, mit der zweiten Elektrode verbundene Elektrode, eine vierte, auf der gegenüberliegenden Ebene der dritten Elektrode eingebaute Elektrode, eine fünfte, auf der gleichen Ebene wie der Oszillator als dritte Elektrode eingebaute Elektrode und eine sechste, auf der gleichen Ebene wie der Oszillator als vierte Elektrode eingebaute Elektrode, um ein durch Drehung des Oszillators erzeugtes elektrisches Feld abzunehmen; eine Oszillatorschaltung mit einem invertierenden Verstärker, wobei der Eingangsanschluss mit der ersten Elektrode und der Ausgangsanschluss mit der zweiten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Differenzverstärkerschaltung, wobei der Eingangsanschluss mit der fünften und sechsten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Detektorschaltung, die das Ausgangssignal aus der Differenzverstärkerschaltung empfängt und das Ausgangssignal aus der Oszillatorschaltung als Detektorsignale verwendet; und eine Ausgangsverstärkerschaltung, die das Ausgangssignal aus der Detektorschaltung empfängt.
Eine Schaltung zum Detektieren einer Winkelgeschwindigkeit ist gemäß der Erfindung vorgesehen, umfassend einen Quarzkristalloszillator, der mit einer ersten Elektrode und einer zweiten, rechtwinkelig zur ersten Elektrode eingebauten Elektrode zum Antrieb des Oszillators versehen ist; eine dritte, mit der zweiten Elektrode verbundene Elektrode und eine vierte und fünfte Elektrode, eingebaut auf der gegenüberliegenden Ebene der dritten Elektrode, um ein durch Drehung des Oszillators erzeugtes elektrisches Feld abzunehmen; eine Oszillatorschaltung mit einem invertierenden Verstärker, wobei der Eingangsanschluss mit der ersten Elektrode und der Ausgangsanschluss mit der zweiten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Differenzverstärkerschaltung, wobei der Eingangsanschluss mit der vierten und fünften Elektrode des Kristalloszillators verbunden ist; eine Detektorschaltung, die das Ausgangssignal aus der Differenzverstärkerschaltung empfängt und das Ausgangssignal aus der Oszillatorschaltung als Detektorsignale verwendet; und eine Ausgangsverstärkerschaltung, die das Ausgangssignal aus der Detektorschaltung empfängt.
Außerdem ist gemäß der Erfindung eine Schaltung zum Detektieren einer Winkelgeschwindigkeit bereitgestellt, umfassend einen Quarzkristalloszillator, der mit einer ersten Elektrode und einer zweiten, rechtwinkelig zur ersten Elektrode zum Antrieb des Oszillators ausgestattet ist; eine dritte, mit der zweiten Elektrode verbundene Elektrode, eine vierte, rechtwinkelig zur dritten Elektrode eingebaute Elektrode und eine fünfte, auf der gegenüberliegenden Ebene der vierten Elektrode eingebaute Elektrode zur Abnahme eines durch Drehung des Oszillators erzeugten elektrischen Felds; eine Oszillatorschaltung mit einem invertierenden Verstärker, wobei der Eingangsanschluss mit der ersten Elektrode und der Ausgangsanschluss mit der zweiten Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Differenzverstärkerschaltung, wobei der Eingangsanschluss mit der vierten und fünifen Elektrode des Quarzkristalloszillators verbunden ist; eine Detektorschaltung, die das Ausgangssignal aus der Differenzverstärkerschaltung empfängt und das Ausgangssignal aus der Oszillatorschaltung als Detektorsignale verwendet; und eine Ausgangsverstärkerschaltung, die das Ausgangssignal aus der Detektorschaltung empfängt.
Da die Oszillatorschaltung der Erfindung die oben erwähnte Konstruktion mit dem Quarzkristalloszillator und dem invertierenden Verstärker besitzt, weist im Falle eines Quarzkristalloszillators, der bei einer Frequenz von ungefähr 32 KHz vibriert, die Rückkopplungsschaltung einen Verstärkungsfaktor β von etwa 0,2-0,9 und eine Phasenverzögerung θ2 von etwa 180º auf. Ähnliche Bedingungen können durch entsprechende Auswahl der Frequenz selbst aus einem Hochfrequenzbereich erzielt werden. Da weiters der Verstärkungsfaktor eines invertierenden Verstärkers im allgemeinen bei 20-30 db oder höher liegt und die Phasendrehung eines typischen invertierenden Verstärkers bei einer Frequenz von etwa 30 KHz fast 180ºC beträgt, können die Vibrationsbedingungen der Formeln (1) und (2) erfüllt werden.
Daher erfordert die Schaltung zum Detektieren der Winkelgeschwindigkeit der Erfindung keine Phasenschaltung für den Rückkopplungsabschnitt der Oszillatorschaltung und kann somit sehr stabile Vibrationen ohne Verringerung der Übertragungsrate und Schwankungen in der Phasenverzögerung infolge charakteristischer Änderungen in einer Phasenschaltung ausführen. Das Detektorausgangssignal überlagert das Vibrationsausgangssignal, um den Betrieb der Differenzverstärkerschaltung zu stabilisieren. Dies verhindert das Entstehen von Drift im Detektorschaltungsausgang, wodurch die Messgenauigkeit beträchtlich verbessert wird. Die Schaltungskonstruktion wird vereinfacht und eignet sich zur Massenfertigung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Fig. 1 ist eine Abbildung, die die Detektorschaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3 ist eine Querschnittansicht der Elektrode für den Quarzkristalloszillator gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 ist eine Abbildung der Detektorschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 ist eine Querschnittansicht der Elektrode für den Quarzkristalloszillator gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 ist eine Abbildung der Detektorschaltung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9 ist eine Querschnittansicht der Elektrode für den Quarzkristalloszillator gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 10 ist eine Querschnittansicht der Elektrode für den Quarzkristalloszillator gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 11 ist eine Querschnittansicht der Elektrode für den Quarzkristalloszillator gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 12 ist eine Vorderansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 13 ist eine Hinteransicht des Quarzkristalloszillators gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 14 ist eine Querschnittansicht der Elektrode für den Quarzkristalloszillator gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 15 ist eine Vorderansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 16 ist eine Hinteransicht des Quarzkristalloszillators gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 17 ist eine Querschnittansicht der Elektrode für den Quarzkristalloszillator gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 18 ist eine Vorderansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 19 ist eine Seitenansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 20 ist eine Hinteransicht des Quarzkristalloszillators gemäß der siebten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 21 ist eine Querschnittansicht der Elektrode für den Quarzkristalloszillator gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 22 ist eine Vorderansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 23 ist eine Hinteransicht des Quarzkristalloszillators gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung.

BESTE DURCHFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG

Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen.
Fig. 1 ist eine Abbildung, die die Detektorschaltung für die erste Ausführungsform der Erfindung darstellt; Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der ersten Ausführungsform, und Fig. 3 ist eine Querschnittansicht, die die Anordnung und gegenseitige Verbindung zwischen den Elektroden für den Oszillator veranschaulicht.
Der in Fig. 2 gezeigte Quarzkristalloszillator ist ein sogenannter X-geschnittener Quarzkristalloszillator, worin der Quarzkristall an der XY'-Ebene geschnitten ist, mit einer Y-Achse (mechanische Achse), wobei die Y'-Achse durch Rotieren der XY-Ebene um 0-10º in Bezug auf die X-Achse (elektrische Achse) erzeugt wird, um Elektroden solcherart anzuordnen, dass die Ausdehnung in Richtung der Y'-Achse an beiden Seiten der neutralen Ebene 81 (Fig. 3) der Vibration auftreten kann. Hier ist die Z'-Achse eine Z-Achse (optische Achse), die die Y'-Achse rechtwinkelig schneidet. Der Quarzkristalloszillator hat die Form einer Stimmgabel und besteht aus Zinkenabschnitten 19, 20 und einem Basisabschnitt 21. Diese werden durch Photogravieren und Ätzen oder durch ein Drahtsägeverfahren einstückig aus einer Quarzplatte gebildet.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Elektrode 1 auf einer der Ebenen parallel zur Y'Z'- Ebene einer der Zinken (19) der Stimmgabel angeordnet, während Elektrode 2 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet ist. Außerdem ist Elektrode 7 auf einer der Ebenen parallel zur Y'Z'-Ebene der anderen Zinke 20 der Stimmgabel angeordnet, während Elektrode 8 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet ist. Die Elektroden 1 und 2 sowie Elektroden 7 und 8 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, und es sind Anschlüsse 16 und 15 vorgesehen. Die Elektroden 3 und 4 sind auf einer der Ebenen parallel zur XY'-Ebene der Zinke 19 positioniert, während die Elektroden 5 und 6 auf der gegenüberliegenden Ebene positioniert sind. Die Elektroden 9 und 10 sind auf einer der Ebenen parallel zur XY'-Ebene der Zinke 20 angeordnet, während die Elektroden 11 und 12 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet sind. Außerdem sind die Elektroden 3 und 6, die Elektroden 4 und 5, die Elektroden 9 und 12 sowie die Elektroden 10 und 11 innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei Anschlüsse 17, 18, 12 und 14 vorgesehen sind. Diese Elektroden 1-12 werden durch Vakuumablagerung eines Metallfilms, z.B. aus Chrom und Gold, gebildet.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Anschlüsse 13 bis 18 des Quarzkristalloszillators 30 mit der Oszillatorschaltung 40 verbunden. Genauer gesagt sind die Anschlüsse 13 und 14 mit dem Ausgang des Inverters 46, der ein invertierender Verstärker ist und aus einem CMOS-Transistor (komplementärer Feldeffekttransistor) besteht, über die Widerstände 44 und 43 der Oszillatorschaltung 40 verbunden, und der Anschluss 15 ist mit dem Eingang des Inverters 46 verbunden. Der Anschluss 16 ist mit dem Ausgang des Inverters 46 verbunden. Außerdem sind die Anschlüsse 17 und 18 mit dem Eingang des Inverters 46 über die Widerstände 41 und 42 verbunden. Diese Widerstände 41 und 42 können als Dünnfilmwiderstände z.B. auf der Basis 21 des Quarzkristalloszillators (siehe Fig. 2) positioniert sein. Obwohl ein aus einem CMOS- Transistor bestehender Inverter hier als ein Beispiel für den invertierenden Verstärker angeführt wird, können beliebige Verstärker mit hohem Eingangswiderstand verwendet werden. Der Widerstand 45 ist ein Rückkopplungswiderstand (Rf), und die Kondensatoren 47 und 48 sind ein Eingangskondensator (Cin) bzw. ein Ausgangskondensator (Cout). Diese bilden die Rückkopplungsschaltung gemeinsam mit dem Quarzkristalloszillator 30.
Diese Konstruktion erfüllt die obigen Bedingungen der Formeln (1) und (2), sodass beim Anlegen von Spannung ein elektrisches Feld in der durch eine durchgehende Linie in Fig. 3 angezeigten Pfeilrichtung erzeugt wird, und die Oszillatorschaltung beginnt zu vibrieren und erreicht sofort einen konstanten Zustand. Eigenschwingung tritt bei einer bestimmten Resonanzfrequenz in Richtung der X-Achse von Fig. 2 auf.
Wenn eine Rotationskraft bei einer Winkelgeschwindigkeit von ω um die Y'-Achse des Quarzkristalloszillators ausgeübt wird, wird auf beiden Zinkenabschnitten 19 und 20 der Stimmgabel in entgegengesetzten Richtungen in einer Ebene parallel zur Y'Z'-Ebene die Corioliskraft Fc erzeugt.
Die an eine der Zinken angelegte Corioliskraft Fc wird durch die folgende Formel (4) ausgedrückt:
worin a eine Geschwindigkeitsamplitude der Vibration ist, ω&sub0; eine Winkelfrequenz der Vibration ist und m die Masse des vibrierenden Abschnitts ist.
Die durch die Winkelgeschwindigkeit ω erzeugte Corioliskraft verformt den Zinkenabschnitt des Oszillators, und ein elektrisches Feld wird in der durch eine durchbrochene Linie in Fig. 3 dargestellten Pfeilrichtung erzeugt. Dies erzeugt ein Detektorausgangssignal an den Anschlüssen 13 und 14, das dann an den Eingang der Differenzverstärkerschaltung 50 angelegt wird und das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 40 in Fig. 1 überlagert. Das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 40 wird vom Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung 50 abgezogen, und der so erhaltene Wert hängt vollständig vom durch die Winkelgeschwindigkeit ω erzeugten Feld ab.
Die Phase der Ausgangsspannung der Differenzverstärkerschaltung 50 und jene der Oszillatorschaltung 40 müssen gleich sein. In der Detektorschaltung der vorliegenden Ausführungsform fungiert die Differenzverstärkerschaltung 50 als Phasenschaltung, sodass die Phase der Ausgangsspannung der Differenzverstärkerschaltung 50 und jene der Oszillatorschaltung 40 identisch sind. Falls erforderlich, kann eine Phasenschaltung nach der Differenzverstärkerschaltung 50 oder Oszillatorschaltung 40 vorgesehen sein.
Da die Ausgangsspannung der Oszillatorschaltung, die an den Eingangsanschluss der Differenzverstärkerschaltung 50 angelegt wird und das Detektorausgangssignal überlagert, groß genug ist, um die Differenzverstärkerschaltung 50 stabil zu halten, ist die im Ausgang erzeugte Drift sehr gering. Der Ausgang der Differenzverstärkerschaltung so ist mit dem Eingangsanschluss der Detektorschaltung 60 verbunden, und das Detektieren erfolgt als Ausgang der Oszillatorschaltung 40 als Detektorsignale. Der Ausgang der Oszillatorschaltung 60 ist mit dem Eingangsanschluss der Ausgangsverstärkerschaltung 70 verbunden, die eine Glättungsschaltung enthält. Die Rotationswinkelgeschwindigkeit der Verstärkerschaltung 70 ist eine Gleichspannung und basiert darauf, welcher Wert der Rotationswinkelgeschwindigkeit bekannt sein kann, wodurch das System als Winkelgeschwindigkeitsdetektor (Gyroskop) verwendet werden kann.
Es folgt eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Abbildungen.
Fig. 4 ist eine Abbildung der Detektorschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform, Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des Quarzkristalloszillators gemäß der zweiten Ausführungsform, und Fig. 6 ist eine Querschnittansicht der Anordnung und gegenseitigen Verbindung zwischen den Elektroden für den Oszillator.
Der in Fig. 5 gezeigte Quarzkristalloszillator ist ein X-geschnittener Quarzkristalloszillator (identisch mit der ersten Ausführungsform) und besteht aus den Zinkenabschnitten 19, 20 und der Basis 21. Die Zinkenabschnitte 19, 20 bilden die Elektroden. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist die Elektrode 1 auf einer der Ebenen parallel zur Y'Z'-Ebene einer der Zinken (19) der Stimmgabel angeordnet und die andere Elektrode 2 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Außerdem ist die Elektrode 26 auf einer der Ebenen parallel zur XY'-Ebene positioniert und die Elektrode 27 auf der gegenüberliegenden Ebene positioniert. Auf der anderen Zinke 20 sind die Elektroden 7, 8, 9, 10, 11 und 12 in gleicher Weise wie in der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsform angeordnet. Die Elektroden 1 und 2, die Elektroden 26 und 27 sowie die Elektroden 7 und 8 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei die Anschlüsse 16 bzw. 25 vorgesehen sind. In gleicher Weise wie in der ersten Ausführungsform sind der mit den Elektroden 9 und 12 verbundene Anschluss 13 und der mit den Elektroden 10 und 11 verbundene Anschluss 14 vorgesehen.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind die Anschlüsse 13, 14, 16 und 25 des Quarzkristalloszillators 30 mit der Oszillatorschaltung 40 verbunden. Genauer gesagt sind die Anschlüsse 13 und 14 über die Widerstände 43 und 44 der Oszillatorschaltung 40 mit dem Ausgang des Inverters 46 verbunden, und der Anschluss 25 ist mit dem Eingang des Inverters 46 verbunden. Diese Konstruktion ermöglicht es, daß eine durch die Oszillatorschaltung 40 erzeugte Antriebsspannung nur an den Zinkenabschnitt 19 des Quarzkristalloszillators von Fig. 5 angelegt wird, wodurch eine hohe Vibrationsstabilität sichergestellt wird.
In Fig. 4 sind die Anschlüsse 13 und 14 des Quarzkristalloszillators 30 mit der Differenzverstärkerschaltung 50 verbunden. Die Konstruktion und Funktionsweise der Differenzverstärkerschaltung 50, Detektorschaltung 60 und Ausgangsverstärkerschaltung 70 sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
Es folgt eine Beschreibung der dritten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Abbildungen.
Fig. 7 ist eine Abbildung der Detektorschaltung gemäß der dritten Ausführungsform, Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht des Oszillators gemäß der dritten Ausführungsform, und Fig. 9 ist eine Querschnittansicht der Anordnung und gegenseitigen Verbindung zwischen den Elektroden für den Oszillator.
Der in Fig. 8 gezeigte Quarzkristalloszillator ist ein sogenannter NT-geschnittener Quarzkristalloszillator, worin der Quarzkristall auf der Z'Y'-Ebene an der X'-Achse, Y'- Achse und Z'-Achse geschnitten ist (entspricht jeweils der X-Achse (elektrischen Achse), Y-Achse und Zachse, erzeugt und durch Drehen der XY-Ebene um 2-10º und der YZ- Ebene um 50-60º in Bezug auf die X-Achse), sodass die Elektroden solcherart angeordnet sind, dass die Ausdehnung in Richtung der Z'-Achse auf der neutralen Vibrationsebene 81 ermöglicht wird. Der Quarzkristalloszillator besteht aus den Zinkenabschnitten 19, 20 und dem Basisabschnitt 21. Die Elektroden sind auf diesen Zinkenabschnitten 19 und 20 ausgebildet.
Wie aus Fig. 9 ersichtlich, ist die Elektrode 1 auf einer der Ebenen parallel zur X'Y'- Ebene einer der Zinken (19) der Stimmgabel angeordnet und Elektrode 2 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Außerdem ist die Elektrode 7 auf einer der Ebenen parallel zur X'Y'-Ebene des Zinke 20 der Stimmgabel angeordnet und die Elektrode 8 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Die Elektroden 1 und 2 sowie die Elektroden 7 und 8 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei Anschlüsse 16 bzw. 15 vorgesehen sind. Die Elektroden 3 und 4 sind auf einer der Ebenen parallel zur Z'Y'-Ebene der Zinke 19 positioniert, und die Elektroden 5 und 6 sind auf der gegenüberliegenden Ebene positioniert. Die Elektroden 9 und 10 sind auf einer der Ebenen parallel zur Z'Y'-Ebene der Zinke 20 angeordnet und die Elektroden 11 und 12 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Die Elektroden 3 und 6, die Elektroden 10 und 11, die Elektroden 4 und 5 sowie die Elektroden 12 und 9 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei die Anschlüsse 13 bzw. 14 vorgesehen sind.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Anschlüsse 13 und 14 des Quarzkristalloszillators 30 mit der Oszillatorschaltung 40 verbunden. Genauer gesagt ist der Anschluss 13 mit dem Ausgang des Inverters 46 und der Anschluss 14 mit dem Eingang des Inverters 46 verbunden. Außerdem sind die Anschlüsse 15 und 16 mit dem Eingang der Differenzverstärkerschaltung 50 verbunden.
Wenn eine Rotationskraft mit Winkelgeschwindigkeit (0 um die Y'-Achse des Quarzkristalloszillators angelegt wird, wirt eine Corioliskraft erzeugt, die ihrerseits ein elektrisches Feld erzeugt, das durch einen Pfeil als durchbrochene Linie in Fig. 9 angezeigt ist. Die so erzeugten Ausgangssignale 15 und 16 werden an den Eingangsanschluss der in Fig. 7 dargestellten Differenzverstärkerschaltung 50 angelegt und überlagern das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 40. Das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 40 wird vom Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung 50 subtrahiert, wobei der so erhaltene Wert vollständig vom durch die Winkelgeschwindigkeit ω erzeugten Feld abhängt. Die Konstruktion und Funktionsweise der Differenzverstärkerschaltung 50, Detektorschaltung 60 und Ausgangsverstärkerschaltung 70 sind die gleichen wie bei der vorhergehenden Ausführungsform.
Es folgt eine Beschreibung einer vierten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen.
Fig. 10 ist eine Querschnittansicht der Anordnung und gegenseitigen Verbindungen der Elektrode für den Quarzkristalloszillator gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung.
Der Quarzkristalloszillator dieser Ausführungsform ist ein NT-geschnittener Quarzkristalloszillator (identisch mit der dritten Ausführungsform) Wie aus Fig. 10 ersichtlich, ist die Elektrode 1 auf einer der Ebenen parallel zur X'Y'-Ebene einer der Zinken (19) der Stimmgabel angeordnet und Elektrode 2 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Außerdem ist die Elektrode 7 auf einer der Ebenen parallel zur X'Y'- Ebene der Zinke 20 der Stimmgabel positioniert und die Elektrode 8 auf der gegenüberliegenden ebene positioniert. Die Elektroden 1 und 2 sowie die Elektroden 7 und 8 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei die Anschlüsse 16 bzw. 15 vorgesehen sind. Außerdem sind die Elektroden 3 und 4 auf einer der Ebenen parallel zur Z'Y'-Ebene der Zinke 19 positioniert und die Elektrode 27 auf der gegenüberliegenden Ebene positioniert. Die Elektroden 9 und 10 sind auf den Ebenen parallel zur Z'Y'-Ebene der Zinke 20 angeordnet und die Elektrode 24 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Die Elektroden 3 und 10 sowie 4 und 9 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei die Anschlüsse 14 bzw. 13 vorgesehen sind. Die Elektroden 24 und 27 sind miteinander verbunden.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, sind die Anschlüsse 13 und 14 des Quarzkristalloszillators 30 mit der Oszillatorschaltung 40 verbunden. Genauer gesagt ist der Anschluss 13 mit dem Ausgang des Inverters 46 verbunden und der Anschluss 14 mit dem Eingang des Inverters 46 verbunden. Außerdem sind die Anschlüsse 15 und 16 mit dem Eingang der Differenzverstärkerschaltung 50 verbunden. Die Konstruktion und Funktionsweise der Differenzverstärkerschaltung 50, Detektorschaltung 60 und Ausgangsverstärkerschaltung 70 sind die gleichen wie bei der vorhergehenden Ausführungsform
Es folgt eine Beschreibung der fünften Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen.
Fig. 11 ist eine Querschnittansicht der Anordnung und gegenseitigen Verbindung der Elektroden für den Quarzkristalloszillator der fünften Ausführungsform Figuren 12 und 13 sind Draufsichten der Anordnung der Elektroden für den Quarzkristalloszillator, wobei Fig. 12 eine Vorderansicht und Fig. 13 eine Hinteransicht des Quarzkristalloszillators ist.
Der Quarzkristalloszillator dieser Ausführungsform ist ein X-geschnittener Quarzkristalloszillator. Wie aus Fig. 12 ersichtlich, besteht der Quarzkristalloszillator aus Zinkenabschnitten 19, 20 und der Basis 21. Das Ende der Basis 21 ist durch ein Element 22 fixiert. Die Zinkenabschnitte 19, 20 und die Basis 21 bilden Elektroden (siehe Figuren 12 und 13).
Wie aus Fig. 11 ersichtlich, ist die Elektrode 1 auf einer der Ebenen parallel zur Y'Z'- Ebene einer der Zinken (19) der Stimmgabel angeordnet, die Elektrode 3 ist auf einer der Ebenen parallel zur XY'-Ebene angeordnet, und die Elektrode 5 ist auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Außerdem ist die Elektrode 8 auf der Ebene parallel zur Y'Z'-Ebene der anderen Zinke 20 positioniert, die Elektroden 9 und 10 sind auf einer der Ebenen parallel zur XY'-Ebene positioniert, und die Elektroden 11 und 12 sind auf der gegenüberliegenden Ebene positioniert. Die Elektroden 1, 10 und 12 sowie 3, 5 und 8 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei die Anschlüsse 13 bzw. 14 vorgesehen sind. Diese Elektroden 1, 3, 5, 8, 10 und 12 sind jene, die den Quarzkristalloszillator antreiben. Außerdem ist der Anschluss 16 an der Elektrode 9 und der Anschluss 15 an der Elektrode 11 vorgesehen. Dies sind Elektroden zur Abnahme des erzeugten elektrischen Felds.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Anschlüsse 13 und 14 des Quarzkristalloszillators 30 mit der Oszillatorschaltung 40 verbunden. Genauer gesagt ist der Anschluss 13 mit dem Ausgang des Inverters 46 verbunden und der Anschluss 14 mit dem Eingang des Inverters 46 verbunden. Außerdem sind die Anschlüsse 15 und 16 mit dem Eingang der Differenzverstärkerschaltung 50 verbunden.
Wenn eine Rotationskraft mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um die Y'-Achse des Quarzkristalloszillators angelegt wird, wird eine Corioliskraft erzeugt, die ihrerseits ein elektrisches Feld in den Zinken 19 und 20 der Stimmgabel zeigt (dargestellt durch den Pfeil als durchbrochene Linie in Fig. 11). Detektorausgangssignale werden an den Anschlüssen 15 und 16 erzeugt, dem Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 30 überlagert und an den Eingangsanschluss der Differenzverstärkerschaltung 50 von Fig. 7 angelegt. Da das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 40 vom Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung 50 subtrahiert wird, hängt der so erhaltene Wert zur Gänze vom durch die Winkelgeschwindigkeit ω erzeugten Feld ab. Die Konstruktion und Funktionsweise der Differenzverstärkerschaltung 50, Detektorschaltung 60 und Ausgangsverstärkerschaltung 70 sind die gleichen wie in vorhergehenden Ausführungsformen.
Es folgt eine Beschreibung der sechsten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen.
Fig. 14 ist eine Querschnittansicht der Anordnung und gegenseitigen Verbindungen der Elektroden für den Quarzkristalloszillator der sechsten Ausführungsform der Erfindung, Figuren 15 und 16 sind Draufsichten der Anordnung der Elektroden für den Quarzkristalloszillator, wobei Fig. 15 eine Vorderansicht und Fig. 16 eine Hinteransicht des Quarzkristalloszillators ist.
Der Quarzkristalloszillator dieser Ausführungsform ist ein X-geschnittener Quarzkristalloszillator. Wie aus Fig. 15 ersichtlich, besteht der Quarzkristalloszillator aus Zinkenabschnitten 19, 20 und der Basis 21. Das Ende der Basis 21 bildet ein fixiertes Element 23, das einen Anschluss zur äußeren Verbindung bilden. Die Elektroden sind an den Zinkenabschnitten 19, 20 und der Basis 21 ausgebildet, wie dies aus Figuren 15 und 16 ersichtlich ist.
Wie aus Fig. 14 ersichtlich, ist die Elektrode 1 auf einer der Ebenen parallel zur Y'Z'- Ebene einer der Zinken (19) der Stimmgabel angeordnet und die Elektrode 2 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Außerdem ist die Elektrode 26 auf einer der Ebenen parallel zur XY'-Ebene positioniert und die Elektrode 27 auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Die Elektroden 9 und 10 sind auf der Ebene parallel zur XY'-Ebene der anderen Zinke 20 positioniert und die Elektroden 11 und 12 auf der gegenüberliegenden Ebene positioniert. Die Elektroden 1 und 2 sowie 26 und 27 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei die Anschlüsse 13 bzw. 14 vorgesehen sind. Diese Elektroden 1, 2, 26 und 27 sind die Elektroden zum Antrieb des Quarzkristalloszillators. Außerdem sind die Elektroden 9, 11 und 2 innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden. Wie unten besprochen, ist der mit diesen Elektroden 2, 9 und 11 verbundene Anschluss 13 mit dem Ausgang der Oszillatorschaltung in Fig. 7 verbunden. Die Elektroden 9 und 11 besitzen daher das gleiche Potential wie die Ausgangsspannung der Oszillatorschaltung. Der Anschluss 15 ist an der Elektrode 10 und der Anschluss 16 an der Elektrode 12 angeordnet. Diese Elektroden 10 und 12 sind jene zur Abnahme des durch Drehung des Oszillators erzeugten elektrischen Felds. Da die Elektroden 9 und 11 das gleiche Potential aufweisen wie der Ausgang der Oszillatorschaltung 40, ist der Ausgang an den Elektroden 15 und 16 der Ausgang der Oszillatorschaltung 40, überlagert durch das erzeugte Feld. Die Anordnungen, die durch Drehen der Elektroden auf dem Zinkenabschnitt 19 entweder nach rechts oder links um 90º in Fig. 14 entstehen, sind auch Teil dieser Ausführungsform.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Anschlüsse 13 und 14 des Quarzkristalloszillators 30 mit der Oszillatorschaltung 40 verbunden. Genauer gesagt ist der Anschluss 13 mit dem Ausgang des Inverters 46 und der Anschluss 14 mit dem Eingang des Inverters 46 verbunden. Außerdem sind die Anschlüsse 15 und 16 mit dem Eingang der Differenzverstärkerschaltung 50 verbunden.
Beim Anlegen einer Spannung wird ein elektrisches Feld in Richtung des durch eine durchgehende Linie in Fig. 14 angezeigten Pfeils erzeugt, und die Oszillatorschaltung beginnt zu vibrieren und erreicht sofort einen konstanten Zustand. Die Eigenschwingung tritt dann bei einer spezifischen Resonanzfrequenz in Richtung der X- Achse von Fig. 15 auf. Wenn eine Rotationskraft mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um die Y'-Achse des Quarzkristalloszillators ausgeübt wird, wird eine Corioliskraft erzeugt, die ihrerseits ein Feld in den Stimmgabelabschnitten 19 und 20 erzeugt (siehe den Pfeil in durchbrochener Linie in Fig. 14). Das so produzierte Detektorausgangssignal wird an den Eingangsanschluss der in Fig. 7 dargestellten Differenzverstärkerschaltung 50 angelegt und überlagert das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 40. Da das Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung 50 vom Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 40 subtrahiert wird, hängt dieser Wert zur Gänze vom durch die Winkelgeschwindigkeit ω erzeugten Feld ab. Die Konstruktion und Funktionsweise der Differenzverstärkerschaltung 50, Detektorschaftung 60 und Ausgangsverstärkerschaltung 70 sind die gleichen wie in vorhergehenden Ausführungsformen.
Es folgt die Beschreibung der siebten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen.
Fig. 17 ist eine Querschnittansicht der Anordnung und gegenseitigen Verbindungen der Elektroden für den Quarzkristalloszillator der siebten Ausführungsform der Erfindung, Figuren 18 und 19 sind Draufsichten der Anordnung der Elektroden für den Quarzkristalloszillator, wobei Fig. 18 eine Vorderansicht und Fig. 19 eine Hinteransicht des Quarzkristalloszillators ist.
Der Quarzkristalloszillator dieser Ausführungsform ist ein X-geschnittener Quarzkristalloszillator. Wie aus Fig. 18 ersichtlich, besteht der Quarzkristalloszillator aus Zinkenabschnitten 19, 20, einer Basis 21 und einem fixierten Element 23. Die Elektroden sind auf den Zinkenabschnitten 19, 20 und der Basis 21 ausgebildet, wie dies aus den Figuren 18, 19 und 20 ersichtlich ist.
Wie aus Fig. 17 ersichtlich ist, befindet sich die Elektrode 1 auf einer der Ebenen parallel zur Y'Z'-Ebene einer der Zinken (19) der Stimmgabel und die Elektrode 2 auf der gegenüberliegenden Ebene. Außerdem ist die Elektrode 26 auf einer der Ebenen parallel zur XY'-Ebene positioniert und die Elektrode 27 auf der gegenüberliegenden Ebene positioniert. Die Elektrode 7 ist auf der Ebene parallel zur Y'Z'-Ebene der anderen Zinke 20 angeordnet, und die Elektroden 28 und 29 sind auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet. Die Elektroden 1 und 2 sowie 26 und 27 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei die Anschlüsse 13 bzw. 14 vorgesehen sind. Diese Elektroden 1, 2, 26 und 27 sind jene Elektroden, die den Quarzkristalloszillator antreiben. Außerdem ist die Elektrode 7 mit den Elektroden 26 und 27 verbunden. Wie unten besprochen, ist der mit diesen Elektroden 26, 27 und 7 verbundene Anschluss 13 mit dem Ausgang der Oszillatorschaltung 40 in Fig. 7 verbunden. Die Elektrode 7 besitzt daher das gleiche Potential wie die Ausgangsspannung der Oszillatorschaltung 40. Der Anschluss 15 ist an der Elektrode 28 und der Anschluss 16 an der Elektrode 29 vorgesehen. Diese Elektroden 28 und 29 dienen zur Abnahme des durch Drehung erzeugten elektrischen Felds. Da die Elektrode 7 das gleiche Potential wie der Ausgang der Oszillatorschaltung 40 besitzt, ist der Ausgang an den Anschlüssen 15 und 16 der Ausgang der Oszillatorschaltung 30, überlagert durch das erzeugte Feld. Die Anordnungen, die duch Drehen der Elektroden auf Zinkenabschnitten 19 entweder nach rechts oder links um 90º in Fig. 17 entstehen, sind auch Teil dieser Ausführungsform.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Anschlüsse 13 und 14 des Quarzkristalloszillators 30 mit der Oszillatorschaltung 40 verbunden. Genauer gesagt ist der Anschluss 13 mit dem Ausgang des Inverters 46 verbunden und der Anschluss 14 mit dem Eingang des lnverters 46 verbunden. Außerdem sind die Anschlüsse 15 und 16 mit dem Eingang der Differenzverstärkerschaltung 50 verbunden. Die Konstruktion und Funktionsweise der Differenzverstärkerschaltung 50, Detektorschaltung 60 und Ausgangsverstärkerschaltung 70 sind die gleichen wie in vorhergehenden Ausführungsformen
Es folgt eine Beschreibung der achten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Abbildungen.
Fig. 21 ist eine Querschnittansicht der Anordnung und gegenseitigen Verbindungen der Elektroden für den Quarzkristalloszillator der achten Ausführungsform, Figuren 22 und 23 sind Draufsichten einer Anordnung der Elektroden für den Quarzkristalloszillator, wobei Fig. 22 eine Vorderansicht und Fig. 23 eine Hinteransicht des Quarzkristalloszillators ist.
Der Quarzkristalloszillator dieser Ausführungsform ist ein X-geschnittener Quarzkristalloszillator. Wie aus Fig. 22 ersichtlich, besteht der Quarzkristalloszillator aus Zinkenabschnitten 19, 20, einer Basis 21 und einem fixierten Element 23. Die Elektroden sind auf den Zinkenabschnitten 19, 20 und der Basis 21 ausgebildet, wie dies aus den Figuren 22 und 23 ersichtlich ist.
Wie aus Fig. 21 ersichtlich ist, befindet sich die Elektrode 1 auf einer der Ebenen parallel zur Y'Z'-Ebene einer der Zinken (19) der Stimmgabel und die Elektrode 2 auf der gegenüberliegenden Ebene. Außerdem ist die Elektrode 26 auf einer der Ebenen parallel zur XY'-Ebene positioniert und die Elektrode 27 auf der gegenüberliegenden Ebene positioniert. Die Elektrode 10 ist auf der Ebene parallel zur Y'Z'-Ebene der anderen Zinke 20 angeordnet, die Elektrode 12 ist auf der gegenüberliegenden Ebene angeordnet, und die Elektrode 7 ist auf der Ebene parallel zur Y'Z'-Ebene angeordnet. Die Elektroden 1 und 2 sowie 26 und 27 sind innerhalb des Quarzkristalloszillators miteinander verbunden, wobei die Anschlüsse 13 bzw. 14 vorgesehen sind. Diese Elektroden 1, 2, 26 und 27 sind jene Elektroden, die den Quarzkristalloszillator antreiben. Außerdem ist die Elektrode 7 mit den Elektroden 26 und 27 verbunden. Wie unten besprochen, ist der mit diesen Elektroden 26, 27 und 7 verbundene Anschluss 13 mit dem Ausgang der Oszillatorschaltung 40 in Fig. 7 verbunden. Die Elektrode 7 besitzt daher das gleiche Potential wie die Ausgangsspannung der Oszillatorschaltung 40. Der Anschluss 15 ist an der Elektrode 10 und der Anschluss 16 an der Elektrode 12 vorgesehen. Diese Elektroden 10 und 12 dienen zur Abnahme des durch Drehung erzeugten elektrischen Felds. Da die Elektrode 7 das gleiche Potential wie der Ausgang der Oszillatorschaltung 40 besitzt, ist der Ausgang an den Anschlüssen 15 und 16 der Ausgang der Oszillatorschaltung 30, überlagert durch das erzeugte Feld. Die Anordnungen, die duch Drehen der Elektroden auf Zinkenabschnitten 19 entweder nach rechts oder links um 90º in Fig. 21 entstehen, sind auch Teil dieser Ausführungsform.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Anschlüsse 13 und 14 des Quarzkristalloszillators 30 mit der Oszillatorschaltung 40 verbunden. Genauer gesagt ist der Anschluss 13 mit dem Ausgang des Inverters 46 verbunden und der Anschluss 14 mit dem Eingang des lnverters 46 verbunden. Außerdem sind die Anschlüsse 15 und 16 mit dem Eingang der Differenzverstärkerschaltung 50 verbunden. Die Konstruktion und Funktionsweise der Differenzverstärkerschaltung 50, Detektorschaltung 60 und Ausgangsverstärkerschaltung 70 sind die gleichen wie in vorhergehenden Ausführungsformen.
Es wurden zwar in den obigen Beispielen Ausführungsformen von Inverteren beschreiben, die aus CMOS-Transistoren als invertierende Verstärker bestehen, doch ist es möglich, CMOS-Transistoren für alle anderen Schaltungen zu verwenden.
Obwohl Quarzkristalloszillatoren mit einer Schwingungsfrequenz von etwa 32 KHz in den obigen Ausführungsformen erwähnt wurden, eignen sich auch Oszillatoren mit einer Frequenz eines höheren Bereichs für diese Oszillatorschaltungen gleicher Konstruktion, wenn die Frequenz entsprechend ausgewählt wird.
Obwohl Oszillatoren in den Ausführungsformen erwähnt werden, die Quarz für Substrate verwenden, ist es möglich, auf andere Materialien mit piezoelektrischen Eigenschaften zurückzugreifen, z.B. auf Lithiumtantalat-Einkristalle, Lithiumniobat- Einkristalle und Lithiumborat-Einkristalle. Die Oszillatoren können auch erzeugt werden, indem Materialien mit piezoelektrischen Eigenschaften auf Siliziumsubstrat angeklebt oder aufgebracht werden. Zwar wurden stimmgabelartige Oszillatoren in der obigen Beschreibung erwähnt, doch eignen sich auch andere Stimminstrumente, die Biegeschwingungen erzeugen können.
Für ein leichteres Verständnis der Erfindung können die Beziehungen zwischen den verschiedenen obigen Ausführungsformen und dem Inhalt der folgenden Patentansprüche wie folgt zusammengefasst werden: Die erste und zweite Ausführungsform ist in Anspruch 1 definiert; die dritte und vierte Ausführungsform in Anspruch 2; die fünfte Ausführungsform in Anspruch 3; die sechste Ausführungsform in Anspruch 4; die siebte Ausführungsform in Anspruch 5; und die achte Ausführungsform in Anspruch 6. Man beachte, dass alle Ausführungsformen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung dienen und diese nicht einschränken.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT DER ERFINDUNG

Wie oben gezeigt, können die Schaltungen zum Detektieren von Winkelgeschwindigkeit der Erfindung günstigerweise zur Trägheitsnavigation von Flugzeugen und Schiffen verwendet werden. Sie eignen sich auch für kleine Geräte wie z.B. für Head-Mounted Displays für Virtual Reality-Anwendungen, Computermäuse, Hand-touch-Ausrüstung von Videokameras und kleine Roboter.

Claims

1. Winkelgeschwindigkeitsdetektorschaltung, umfassend:

einen Quarzkristalloszillator mit zwei Zinken (19, 20) mit quadratischem Querschnitt im oberen Teil der Basis sowie erste und zweite Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass:

die ersten Elektroden zum Antrieb des Oszillators auf der gesamten Länge von zumindest einer Ebene der beiden parallelen Ebenen in den beiden Zinken des Quarzkristalloszillators angebracht sind,

die zweiten Elektroden zur Abnahme des durch Drehung des Quarzkristalloszillators erzeugten elektrischen Felds auf den gesamten Längen der gleichen und/oder (einer) unterschiedlichen Ebene(n) wie jene Ebene in einem der beiden Zinken des Quarzkristalloszillators angeordnet sind, auf der die erste Elektrode montiert ist, weiters umfassend:

eine Oszillatorschaltung (40) mit einem invertierenden Verstärker (46), wobei der Eingangsanschluss mit einer der ersten Elektroden und der Ausgangsanschluss mit einer der zweiten Elektroden des Quarzkristalloszillators verbunden ist,

eine Differenzverstärkerschaltung (50), wobei der Eingangsanschluss mit den zweiten Elektroden des Quarzkristalloszillators verbunden ist,

eine Detektorschaltung (60), die das Ausgangssignal aus der Differenzverstärkerschaltung empfängt und das Ausgangssignal aus der Oszillatorschaltung als Detektorsignale verwendet, und

eine Ausgangsverstärkerschaltung (70), die das Ausgangssignal aus der Dektorschaltung empfängt.

2. Winkelgeschwindigkeitsdetektor nach Anspruch 1, ausgestattet mit zwei zweiten Elektroden zum Schwingen des Oszillators und zur Abnahme des durch Drehung des Quarzkristalloszillators erzeugten elektrischen Felds in jeder der beiden parallelen Ebenen.

3. Detektor nach Anspruch 1, worin die zweite Elektrode auf der gesamten Länge zweier paralleler Ebenen angebracht ist, die jene Ebene in zumindest einem der beiden Zinken des Quarzkristalloszillators, auf der die erste Elektrode montiert ist, im rechten Winkel schneiden.

4. Winkelgeschwindigkeitsdetektor nach Anspruch 1, worin die Elektroden zum Schwingen des Quarzkristalloszillators auf den gesamten Längen der gleichen Ebene, in der die Elektrode zur Abnahme des durch die Drehung einer der beiden Zinken erzeugten elektrischen Felds angeordnet ist, einer Ebene, die die genannte gleiche Ebene im rechten Winkel schneidet, zwei parallelen Ebenen auf der anderen der beiden Zinken und einer Ebene, die diese zwei parallelen Ebenen im rechten Winkel schneidet, angeordnet sind.

5. Winkelgeschwindigkeitsdetektor nach Anspruch 1, worin die Elektroden zum Schwingen des Quarzkristalloszillators auf den gesamten Längen der gleichen Ebene, in der die Elektrode zur Abnahme des durch Drehung einer der beiden Zinken erzeugten elektrischen Felds angeordnet ist, der zwei parallelen Ebenen auf der anderen der beiden Zinken und zweier Ebenen, die diese zwei parallelen Ebenen im rechten Winkel schneiden, angeordnet sind.

6. Winkelgeschwindigkeitsdetektor nach Anspruch 1, worin die Elektroden zum Schwingen des Quarzkristalloszillators auf den gesamten Längen der Ebene, die jener Ebene gegenüberliegt, in der die Elektrode zur Abnahme des durch Drehung einer der beiden Zinken erzeugten elektrischen Felds angeordnet ist, der zwei parallelen Ebenen auf der anderen der beiden Zinken und zweier Ebenen, die diese zwei parallelen Ebenen im rechten Winkel schneiden, angeordnet sind.

7. Winkelgeschwindigkeitsdetektor nach Anspruch 1, worin die Elektroden zum Schwingen des Quarzkristalloszillators auf den gesamten Längen einer Ebene, die die Ebene, in der die Elektrode zur Abnahme des durch Drehung einer der beiden Zinken erzeugten elektrischen Felds angeordnet ist, im rechten Winkel schneidet, der zwei parallelen Ebenen auf der anderen der beiden Zinken und zweier paralleler Ebenen, die diese zwei parallelen Ebenen im rechten Winkel schneiden, angeordnet sind.

8. Winkelgeschwindigkeitsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Elektroden zum Schwingen des Oszillators im Quarzkristalloszillator verbunden sind und jede Elektrode durch eine Oszillatorschaltung mit einer elektrischen Spannung geladen ist.

9. Winkelgeschwindigkeitsdetektorschaltung nach Anspruch 1, worin die zweite Elektrode entlang einer Ebene parallel zur Ebene in einer der beiden Zinken des Quarzkristalloszillators, auf der die erste Elektrode montiert ist, angebracht ist.

10. Winkelgeschwindigkeitsdetektorschaltung nach Anspruch 1, worin die zweite Elektrode auch zum Antrieb des Oszillators geeignet ist.