DE69726655T2 - Vibrationskreisel und Herstellungsverfahren - Google Patents

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vibrating gyroscope
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piezoelectric
electrode
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Katsumi Nagaokakyo-shi Fujimoto
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schwinggyroskop und ein Verfahren zum Herstellen des Schwinggyroskops und insbesondere auf ein Schwinggyroskop, das z. B. verwendet wird, um eine Kameraerschütterung zu verhindern, oder bei einem Autonavigationssystem, einem Zeigegerät oder dergleichen verwendet wird, und ein Verfahren zum Herstellen des Schwinggyroskops.
  • 14 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel von herkömmlichen Schwinggyroskopen zeigt. Ein Schwinggyroskop 1 umfaßt einen Schwinger 2, der durch ein Verbinden eines ersten piezoelektrischen Substrats 3 und eines zweiten piezoelektrischen Substrats 4 gebildet ist. Das erste und das zweite piezoelektrische Substrat 3 und 4 sind durch eine Harzschicht 5 verbunden, die z. B. aus Epoxidharz hergestellt ist, und in entgegengesetzte Dickerichtungen polarisiert, wie es durch die Pfeile gezeigt ist.
  • Eine geteilte Elektrode 6 ist auf der äußeren Hauptoberfläche des ersten piezoelektrischen Substrats 3 gebildet. Die Elektrode 6 ist in die breitenmäßige Richtung des ersten piezoelektrischen Substrats 3 durch eine Rille in zwei geteilt, die sich in die längsmäßige Richtung erstreckt, und ferner durch zwei Rillen, die sich in die breitenmäßige Richtung erstrecken, nahe Knoten des Schwingers 2 in die längenmäßige Richtung in drei geteilt. In anderen Worten ist die Elektrode 6 in sechs geteilt. Ferner ist eine andere Elektrode 7 ganz über die äußere Hauptoberfläche des zweiten piezoelektrischen Substrats 4 gebildet. Trägerbauglieder 8, die z. B. aus Metalldrähten gebildet sind, sind nahe dem Knoten des Schwingers 2 durch ein Lötmittel, eine leitfähige Paste oder dergleichen an der Elektrode 7 angebracht.
  • Bei diesem Schwinggyroskop 1 wird ein Treibersignal zwischen zwei Elektrodenabschnitte 6a und 6b, die in die längenmäßige Richtung in der Mitte der Elektrode 6 positioniert sind, und die Elektrode 7 angelegt, die denselben gegenüber liegt. Da das erste und das zweite piezoelektrische Substrat 3 und 4 in entgegengesetzte Richtungen polarisiert sind, weist der Schwinger 2 eine bimorphe Struktur auf und schwingt biegemäßig ansprechend auf das Treibersignal in die Richtung, die orthogonal zu Ebenen ist, wo die Elektroden 6 und 7 gebildet sind. Zu dieser Zeit schwingt der Schwinger 2 biegemäßig um zwei Knoten, die von beiden Enden in die längsmäßige Richtung desselben etwas nach innen positioniert sind. Die identischen Signale werden zu dieser Zeit von den Elektrodenabschnitten 6a und 6b ausgegeben. Die zwei Signale sind symmetrisch und zu 0 aufgehoben.
  • Wenn sich der Schwinger 2 um die Achse dreht, wirkt eine Coriolis-Kraft in die Richtung, die orthogonal zu der biegemäßigen Schwingung des Schwingers 2 ist. Die Richtung der biegemäßigen Schwingung des Schwingers 2 ist dadurch geändert und auch Ausgangssignale von den Elektrodenabschnitten 6a und 6b sind geändert. In anderen Worten, wenn das Ausgangssignal von einem Elektrodenabschnitt 6a sich entsprechend der Coriolis-Kraft erhöht, verringert sich das Ausgangssignal von dem anderen Elektrodenabschnitt 6b entsprechend der Coriolis-Kraft. Daher können durch ein Finden der Differenz zwischen den Ausgangssignalen von diesen Elektrodenabschnitten 6a und 6b lediglich Signale erhalten werden, die der Coriolis-Kraft entsprechen. Somit kann die Drehwinkelgeschwindigkeit, die an das Schwinggyroskop 1 angelegt ist, durch ein Messen der Differenz zwischen Ausgangssignalen von den Elektrodenabschnitten 6a und 6b erfaßt werden.
  • Jedoch weist Epoxidharz, das verwendet wird, um zwei piezoelektrische Substrate zu verbinden, einen Glasübergangspunkt auf. Über 80°C beginnt Epoxidharz weich zu werden, der Qualitätsfaktor Q verringert sich und eine Empfindlichkeit des Schwinggyroskops verringert sich ebenfalls. Falls ein Material, das einen hohen Curie-Punkt aufweist, wie beispielsweise LiNbO3 und LiTaO3, als das Material der piezoelektrischen Substrate verwendet wird, beeinträchtigt eine Verschlechterung der Temperaturcharakteristik bei einer hohen Temperatur einen hohen Wärmewiderstand des Materials als einen Vorteil. Obwohl die Qualitätsfaktoren Q dieser Materialien hoch sind, ist der Qualitätsfaktor Q von Epoxidharz niedrig, was den Qualitätsfaktor Q des gesamten Schwingers senkt. Da ferner reale Knoten des Schwingers an der Mittelachse desselben positioniert sind, ist, falls ein Trägerbauglied an der Oberfläche des Schwingers angebracht ist, ein Lecken einer Schwingung von dem Trägerbauglied unausweichlich. Falls das Trägerbauglied zusätzlich an der Elektrode auf der Oberfläche des Schwingers angebracht ist, kann eine Tragefestigkeit desselben nicht höher gemacht werden als die Haftfestigkeit zwischen der Elektrode und dem piezoelektrischen Substrat, wodurch es wahrscheinlich ist, daß das Trägerbauglied aufgrund einer Erschütterung, wie beispielsweise eines Fallenlassens des Schwingers, herausfällt.
  • Die EP 0 685 794 A1 beschreibt ein Schwinggyroskop, das eine erste und eine zweite piezoelektrische Basisplatte umfaßt. Auf einer Hauptoberfläche der ersten piezoelektrischen Basisplatte sind zwei getrennte Elektroden gebildet, während auf einer Hauptoberfläche der zweiten piezoelektrischen Basisplatte eine gemeinsame Elektrode gebildet ist. Ferner offenbart Dokument D1, eine Scheinelektrode zwischen der ersten und der zweiten piezoelektrischen Basisplatte bereitzustellen.
  • Die US 5,325,012 beschreibt eine piezoelektrische Keramikvorrichtung, die eine piezoelektrische Keramik aufweist, auf der eine erste Metallisierungsschicht und eine zweite Metallisierungsschicht auf Oberflächen der piezoelektrischen Keramik gebildet sind. Jede der Metallisierungsschichten weist eine aktive Schicht zum Erhalten einer hohen Verbindungsfestigkeit, eine Lötschicht zum Ermöglichen eines leichten Verbindens mit Lötmaterialien und eine Barriereschicht auf, die zwischen der aktiven Schicht und der Lötschicht zu einem Verhindern einer Reaktion oder Diffusion zwischen der aktiven Schicht und der Lötschicht bereitgestellt ist. Ferner ist eine Vorrichtung offenbart, bei der piezoelektrische Elemente mit einer Temperatur, die nicht höher als der Curie-Punkt ist, an einen Metallkörper gelötet werden.
  • Die US 4,431,935 offenbart eine Mehrfachbieger-Sensoreinheit, bei der eine Mehrzahl von Platten aus piezoelektrischem Material laminiert ist, um eine laminierte Struktur zu bilden. Erste Platten sind äußerlich an der laminierten Struktur angeordnet, während ein erster Teil und ein zweiter Teil einer Elektrode jeweils zwischen piezoelektrischen Platten positioniert sind. Die erste Elektrode und die Teile der zweiten Elektrode wirken als ein signalerzeugendes Elektrodenpaar, das es ermöglicht, eine Mehrzahl von Generatoren zu bilden. Ferner beschreibt Dokument D3 in dem einleitenden Teil einen piezoelektrischen Sensor, der zwei Schichten aus einem polarisierten piezoelektrischen Material aufweist, auf denen zwei Elektroden auf äußeren Hauptoberflächen der Schichten positioniert sind. Der piezoelektrische Sensor weist ferner ein Metallschicht-Sandwich zwischen den piezoelektrischen Schichten auf.
  • Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges Schwinggyroskop zu schaffen, bei dem der Qualitätsfaktor Q eines Schwingers hoch ist und innerhalb des praktischen Temperaturbereichs nicht verringert ist. Diese Aufgabe wird durch ein Schwinggyroskop gemäß Anspruch 1 und ein Schwinggyroskopherstellungsverfahren gemäß Anspruch 4 gelöst. Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß dieselbe ein Schwinggyroskop bereitstellt, bei dem ein Lecken einer Schwingung von einem Trägerbauglied gering ist und eine Tragefestigkeit hoch ist. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß dieselbe ein Verfahren zum Herstellen eines Schwinggyroskops, das die oben erwähnten Merkmale aufweist, bereitstellt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Schwinggyroskop bereit, das einen Schwinger, der zwei piezoelektrische Substrate aufweist, die durch eine Metallschicht verbunden sind, und Elektroden aufweist, die jeweils auf einer äußeren Hauptoberfläche der zwei piezoelektrischen Substrate gebildet sind, wobei zumindest eine der Elektroden geteilt ist, wobei die Metallschicht aus einem Material hergestellt ist, das einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der Curie-Punkt der zwei piezoelektrischen Substrate ist.
  • Bei diesem Schwinggyroskop sind Schnittabschnitte jeweils an den Seiten der zwei piezoelektrischen Substrate nahe einem Knoten des Schwingers gebildet.
  • Um den Schwinger zu tragen, ist ein Trägerbauglied in der Metallschicht nahe dem Knoten des Schwingers plaziert.
  • Dieses Trägerbauglied ist durch ein preßmäßiges Einpassen eines Metalldrahts in die Metallschicht nahe dem Knoten des Schwingers gebildet.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Schwinggyroskopherstellungsverfahren bereit, das die Schritte eines Bereitstellens von zwei piezoelektrischen Substraten, eines Erhaltens eines Schwingers durch ein Verbinden der zwei piezoelektrischen Substrate durch eine Metallschicht, die aus einem Metallmaterial hergestellt ist, das einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der Curie-Punkt der zwei piezoelektrischen Substrate ist, und eines Bildens eines Trägerbauglieds durch ein preßmäßiges Einpassen eines Metalldrahts, der auf eine hohe Temperatur erwärmt ist, in die Metallschicht nahe einem Knoten des Schwingers aufweist.
  • Bei diesem Schwinggyroskopherstellungsverfahren werden Schnittabschnitte jeweils auf den piezoelektrischen Substraten an dem Knoten des Schwingers gebildet, bevor die zwei piezoelektrischen Substrate verbunden werden, und der Hochtemperaturmetalldraht wird preßmäßig an den Schnittabschnitten in die Metallschicht eingepaßt.
  • Die Metallschicht zu einem Verbinden der zwei piezoelektrischen Substrate weist einen höheren Qualitätsfaktor Q als Epoxidharz auf und wird innerhalb des praktischen Temperaturbereichs des Schwinggyroskops nicht weich. Wenn ferner die Schnittabschnitte jeweils an den Verbindungsseiten der piezoelektrischen Substrate gebildet sind, tritt Metall, das bei einem Verbinden der piezoelektrischen Substrate geschmolzen wird, in die Schnittabschnitte ein und wird an einem Herausfließen von den Verbindungsseiten der piezoelektrischen Oberflächen gehindert. Wenn ferner der Metalldraht, der auf eine hohe Temperatur erwärmt ist, nach einem Verbinden der piezoelektrischen Substrate preßmäßig in die Schnittabschnitte eingepaßt wird, schmilzt die an den Schnittabschnitten existierende Metallschicht und der Metalldraht ist in das Innere des Schwingers eingebracht. Danach wird die Metallschicht durch ein Kühlen verfestigt und dadurch ist der Metalldraht durch die Metallschicht befestigt und als ein Trägerbauglied verwendet. Dieses Trägerbauglied ist nahe einem realen Knoten des Schwingers positioniert. Obwohl geschmolzenes Metall bei einem Verbinden der piezoelektrischen Substrate verwendet wird, wird, da der Schmelzpunkt desselben niedriger als der Curie-Punkt der piezoelektrischen Substrate ist, eine Polarisation der piezoelektrischen Substrate nicht entfernt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist, da die piezoelektrischen Substrate durch eine Metallschicht verbunden sind, die einen hohen Qualitätsfaktor Q aufweist, der Qualitätsfaktor Q des ganzen Schwingers ebenfalls hoch gehalten. Da zusätzlich bei einem Verbinden der piezoelektrischen Substrate eine Polarisation nicht entfernt wird und die Me tallschicht in dem praktischen Temperaturbereich nicht weich wird, nimmt der Qualitätsfaktor Q während einer Operation des Schwinggyroskops nicht ab, was ein höchst empfindliches Schwinggyroskop erzielt. Ferner ist das Verbindungsmetall an einem Anhaften an der Oberfläche des Schwingers durch ein Bilden von Schnittabschnitten an den Verbindungsseiten der piezoelektrischen Substrate gehindert und die Verschlechterung der Charakteristika kann dadurch eingeschränkt werden. Ferner kann eine Verbindungsstärke zwischen dem Trägerbauglied und dem Schwinger durch ein Befestigen des Trägerbauglieds durch die Metallschicht erhöht werden. Selbst wenn aufgrund des Fallens des Schwinggyroskops eine große Erschütterung angelegt wird, kann daher das Trägerbauglied an einem Herausfallen von dem Schwinger gehindert werden. Da das Trägerbauglied ferner an einer Position getragen sein kann, die näher an dem realen Knoten an der Mittelachse des Schwingers ist als in dem Fall, bei dem das Trägerbauglied an der Oberfläche des Schwingers befestigt ist, ist ein Schwingungslecken von dem Trägerbauglied verringert und ein Schwinggyroskop erzielt, das gute Charakteristika aufweist.
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen offensichtlich.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Schwinggyroskops gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht von piezoelektrischen Substraten, die präpariert sind, um das in 1 gezeigte Schwinggyroskop herzustellen.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem die in 2 gezeigten piezoelektrischen Substrate laminiert sind.
  • 4 ist ein Blockdiagramm von Schaltungen, die während einer Operation des in 1 gezeigten Schwinggyroskops verwendet werden.
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Schwinggyroskops gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ist eine perspektivische Ansicht von piezoelektrischen Substraten, die präpariert sind, um das in 5 gezeigte Schwinggyroskop herzustellen.
  • 7 ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, in dem eine Lötmittelmasse auf das in 6 gezeigte piezoelektrische Substrat aufgebracht ist.
  • 8 ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, bei dem die zwei piezoelektrischen Substrate kontaktverbunden sind.
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem Trägerbauglieder an dem in 5 gezeigten Schwinggyroskop befestigt sind.
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem das in 9 gezeigte Schwinggyroskop hergestellt ist.
  • 11 ist eine Darstellung, die einen Zustand zeigt, bei dem das in 9 gezeigte Schwinggyroskop biegemäßig schwingt.
  • 12 ist eine Darstellung, die einen Zustand einer biegemäßigen Schwingung eines herkömmlichen Schwinggyroskops zu einem Vergleich mit 11 zeigt.
  • 13 ist eine Darstellung, die eine Variation des in 9 gezeigten Schwinggyroskops zeigt.
  • 14 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel von herkömmlichen Schwinggyroskopen zeigt.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Schwinggyroskop gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Schwinggyroskop 10 umfaßt einen Schwinger 12, der ein erstes piezoelektrisches Substrat 14 und ein zweites piezoelektrisches Substrat 16 aufweist. Als das erste und das zweite piezoelektrische Substrat 14 und 16 werden z. B. eine piezoelektrische Keramik, ein Einkristall, wie beispielsweise LiNbO3 und LiTaO3 und dergleichen verwendet. Das erste und das zweite piezoelektrische Substrat 14 und 16 sind durch eine Metallschicht 18 verbunden. Zu dieser Zeit sind das erste und das zweite piezoelektrische Substrat 14 und 16 in entgegengesetzte Dickerichtungen polarisiert, wie es durch die Pfeile in 1 gezeigt ist. Daher weist der Schwinger 12 eine bimorphe Struktur auf. Als die Metallschicht 18 wird ein Metallmaterial verwendet, das einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der Curie-Punkt des ersten und des zweiten piezoelektrischen Substrats 14 und 16 ist. Obwohl ein Lötmittel oder dergleichen als ein derartiges Material verwendet wird, kann ein Bi-Material, ein In-Material, Ag-Lötmittel und dergleichen außerdem verwendet werden.
  • Eine erste Elektrode 20 ist auf der äußeren Hauptoberfläche des ersten piezoelektrischen Substrats 14 gebildet. An der ersten Elektrode 20 sind eine Rille 22a, die sich in die längenmäßige Richtung des ersten piezoelektrischen Substrats 14 erstreckt, und zwei Rillen 22b, die sich in die breitenmäßige Richtung desselben erstrecken, gebildet. Die Rillen 22b sind an Positionen gebildet, die Knoten für eine biegemäßige Schwingung des Schwingers 12 entsprechen, d. h. an Positionen, die von beiden Enden des ersten piezoelektrischen Substrats 14 in die längenmäßige Richtung etwas nach innen gelegen sind. Die erste Elektrode 20 ist durch diese Rillen 22a und 22b in sechs Elektrodenabschnitte 20a, 20b, 20c, 20d, 20e und 20f geteilt. Ferner ist eine zweite Elektrode 24 ganz über der äußeren Hauptoberfläche des zweiten piezoelektrischen Substrats 16 gebildet.
  • Um ein derartiges Schwinggyroskop 10 herzustellen, wie es in 2 gezeigt ist, werden zwei große piezoelektrische Substrate 30 und 32 präpariert. Elektroden 34 bzw. 36 sind an beiden Seiten der piezoelektrischen Substrate 30 bzw. 32 gebildet. Eine Lötmittelmasse 38 ist auf eine Hauptoberfläche jedes der piezoelektrischen Substrate 30 und 32 gedruckt. Die Lötmittelmasse 38 wird durch ein Erwärmen geschmolzen und dann gekühlt, wodurch Lötmittelschichten auf den piezoelektrischen Substraten 30 bzw. 32 gebildet werden. Nachdem die piezoelektrischen Substrate 30 und 32 laminiert sind, um die Lötmittelschichten derselben in einen engen Kontakt miteinander zu bringen, werden die Lötmittelschichten wieder durch ein Erwärmen geschmolzen und die zwei piezoelektrischen Substrate 30 und 32 werden aneinander gerieben und kontaktverbunden. Durch ein Kühlen der kontaktverbundenen piezoelektrischen Substrate 30 und 32, wie es in 3 gezeigt ist, wird ein großes Mehrschicht-Substrat 40 erhalten, das durch die Metallschicht 18 verbunden ist. Rillen 22 sind in vorbestimmten Intervallen an dem Mehrschichtsubstrat 40 gebildet, um die Rillen 22a und 22b des Schwinggyroskops 10 zu bilden. Danach wird das Mehrschichtsubstrat 40 durch ein Vereinzeln oder dergleichen geschnitten, wie es durch die abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie in 3 gezeigt ist, wodurch das in 1 gezeigte Schwinggyroskop 10 hergestellt wird. Bei dem Prozeß eines Herstellens des Schwinggyroskops 10 wird, da ein Lötmittel, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als den Curie-Punkt der piezoelektrischen Substrate 30 und 32 aufweist, als Lötmittel zu einem Bilden der Metallschicht 18 verwendet wird, eine Polarisation der piezoelektrischen Substrate 30 und 32 nicht entfernt.
  • Bei einem Verwenden dieses Schwinggyroskops 10 sind Widerstände 42 und 44 mit den zwei Elektrodenabschnitten 20a und 20b in der Mitte der ersten Elektrode 20 in die längsmäßige Richtung verbunden, wie es in 4 gezeigt ist. Eine Oszillationsschaltung 46 ist zwischen diese Widerstände 42 und 44 und die zweite Elektrode 24 geschaltet. Die Oszillationsschaltung 46 umfaßt z. B. eine Verstärkungsschaltung und eine Phasenkorrekturschaltung und ein Signalausgang von der zweiten Elektrode 24 wird zu der Oszillationsschaltung 46 rückgekoppelt. Dann werden der Pegel und die Phase des Rückkopplungssignals durch die Verstärkungsschaltung und die Phasenkorrekturschaltung eingestellt und das korrigierte Signal wird zu den Elektrodenabschnitten 20a und 20b der ersten Elektrode 20 gegeben.
  • Die Elektrodenabschnitte 20a und 20b der ersten Elektrode 20 sind auch mit einem Eingangsanschluß einer Differenzschaltung 48 verbunden. Ein Ausgangsanschluß der Differenzschaltung 48 ist mit einer Synchronerfassungsschaltung 50 verbunden. Bei der Synchronerfassungsschaltung 50 wird ein Ausgangssignal der Differenzschaltung 48 in Synchronisation mit z. B. einem Signal der Oszillationsschaltung 46 erfaßt. Die Synchronerfassungsschaltung 50 ist mit einer Glättungsschaltung 52 verbunden und die Glättungsschaltung 52 ist ferner mit einer Verstärkungsschaltung 54 verbunden.
  • Dieses Schwinggyroskop 10 ist durch die Oszillationsschaltung 46 selbstgetrieben. Da der Schwinger 12 eine bimorphe Struktur aufweist, zieht sich, wenn sich das erste piezoelektrische Substrat 14 in die Richtung ausdehnt, die parallel zu der Hauptoberfläche desselben ist, das zweite piezoelektrische Substrat 16 in die Richtung zusammen, die parallel zu der Hauptoberfläche desselben ist. Wenn sich jedoch das erste piezoelektrische Substrat 14 in die Richtung zusammenzieht, die parallel zu der Hauptoberfläche desselben ist, dehnt sich das zweite piezoelektrische Substrat 16 in die Richtung aus, die parallel zu der Hauptoberfläche desselben ist. Daher schwingt der Schwinger 12 biegemäßig in die Richtung, die orthogonal zu den Ebenen ist, wo die erste und die zweite Elektrode 20 und 24 gebildet sind.
  • Wenn keine Drehwinkelgeschwindigkeit angelegt ist, werden die identischen Signale von den Elektrodenabschnitten 20a und 20b ausgegeben und durch die Differenzschaltung 48 aufgehoben. Daher wird kein Signal von der Differenzschaltung 48 ausgegeben. Wenn der Schwinger 12 um die Achse gedreht wird, wirkt eine Coriolis-Kraft in die Richtung, die orthogonal zu der Richtung einer biegemäßigen Schwingung ist. Die Richtung einer biegemäßigen Schwingung des Schwingers 12 wird durch diese Coriolis-Kraft geändert. Dadurch werden Signale, die von den Elektrodenabschnitten 20a und 20b ausgegeben werden, geändert. Wenn sich z. B. das Signal, das von dem Elektrodenabschnitt 20a ausgegeben wird, erhöht, verringert sich das Signal, das von dem Elektrodenabschnitt 20b ausgegeben wird. Daher wird die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Elektrodenabschnitte 20a und 20b durch die Differenzschaltung 48 erhalten. Die Änderung bei Ausgangssignalen der Elektrodenabschnitte 20a und 20b entspricht der Änderung bei einer Richtung einer biegemäßigen Schwingung des Schwingers 12, d. h. der Coriolis-Kraft. Daher wird ein Signal mit dem Pegel, der der Coriolis-Kraft entspricht, von der Differenzschaltung 48 ausgegeben.
  • Das Ausgangssignal der Differenzschaltung 48 wird durch die Synchronerfassungsschaltung 50 in Synchronisation mit dem Signal der Oszillationsschaltung 46 erfaßt. Zu dieser Zeit wird lediglich ein positiver Abschnitt oder ein negativer Abschnitt des Ausgangssignals erfaßt. Das durch die Synchronerfassungsschaltung 50 erfaßte Signal wird durch die Glättungsschaltung 52 geglättet und durch die Verstärkungsschaltung 54 verstärkt. Daher kann die Drehwinkelgeschwindigkeit, die an das Schwinggyroskop 10 angelegt ist, durch ein Messen des Ausgangssignals der Verstärkungsschaltung 54 erfaßt werden.
  • Wenn die Richtung der Drehwinkelgeschwindigkeit umgekehrt ist, ist die Änderung bei einer Richtung einer biegemäßigen Schwingung des Schwingers 12 umgekehrt und die Änderung bei Ausgangssignalen der Elektrodenabschnitte 20a und 20b ist ebenfalls umgekehrt. Die Phase eines von der Differenzschaltung 48 ausgegebenen Signals ist dadurch umgekehrt und die Polarität eines durch die Synchronerfassungsschaltung 50 erfaßten Signals ist ebenfalls umgekehrt. Die Polarität eines Ausgangssignals von der Verstärkungsschaltung 54 ist ebenfalls umgekehrt. Daher kann die Richtung der Drehwinkelgeschwindigkeit basierend auf der Polarität des Ausgangssignals der Verstärkungsschaltung 54 erfaßt werden.
  • Bei diesem Schwinggyroskop 10 wird die Metallschicht 18, die aus einem Lötmittel oder dergleichen hergestellt ist, verwendet, um das erste und das zweite piezoelektrische Substrat 14 und 16 zu verbinden. Die Metallschicht 18 weist einen höheren Qualitätsfaktor Q als die herkömmliche Epoxidharzschicht auf. Daher ist der Qualitätsfaktor Q des gesamten Schwingers 12 hoch, was das Schwinggyroskop 10 sehr empfindlich macht. Obwohl Epoxidharz einen Erweichungspunkt nahe 80½°C aufweist, rutschen, da die Metallschicht 18 innerhalb des praktischen Temperaturbereichs zwischen –40½°C und 80½°C nicht weich wird, das erste und das zweite piezoelektrische Substrat 14 und 16 aufgrund einer Änderung bei einer Temperatur nicht voneinander weg und eine Abnahme bei einer Empfindlichkeit des Schwinggyroskops 10 kann eingeschränkt werden.
  • Wie es in 5 gezeigt ist, können Schnittabschnitte 26 an den Verbindungsseiten des ersten bzw. des zweiten piezoelektrischen Substrats 14 bzw. 16 gebildet sein. Die Schnittabschnitte 26 sind an Positionen gebildet, die zwei Knoten des Schwingers 12 entsprechen, und jeder ist wie eine Rille geformt, die sich in die breitenmäßige Richtung des ersten und des zweiten piezoelektrischen Substrats 14 und 16 erstreckt.
  • Um ein derartiges Schwinggyroskop 10 herzustellen, wie es in 6 gezeigt ist, werden große piezoelektrische Substrate 30 und 32 präpariert. Die Schnittabschnitte 26 werden an den Verbindungsseiten der piezoelektrischen Substrate 30 und 32 gebildet. Elektroden 34 und 36 werden an beiden Seiten der piezoelektrischen Substrate 30 bzw. 32 gebildet. Wie es in 7 gezeigt ist, wird eine Lötmittelmasse auf die Verbindungsseiten der piezoelektrischen Substrate 30 und 32 gedruckt, durch ein Erwärmen geschmolzen und dann gekühlt, wodurch Lötmittelschichten auf den piezoelektrischen Substraten 30 bzw. 32 gebildet werden.
  • Wie es in 8 gezeigt ist, werden als nächstes die piezoelektrischen Substrate 30 und 32 so laminiert, um die Lötmittelschichten derselben in einen engen Kontakt miteinander zu bringen, und durch ein Erwärmen kontaktverbunden. Obwohl die piezoelektrischen Substrate 30 und 32 aneinander gerieben werden, wird zu dieser Zeit überfließendes geschmolzenes Lötmittel in den Schnittabschnitten 26 gesammelt und an einem Fließen aus den piezoelektrischen Substraten 30 und 32 gehindert. Nachdem die kontaktverbundenen piezoelektrischen Substrate 30 und 32 gekühlt sind, werden Rillen 22 an der Elektrode 34 des piezoelektrischen Substrats 30 gebildet und die laminierten Substrate 30 und 32 werden durch ein Vereinzeln oder dergleichen geschnitten, wodurch das in 5 gezeigte Schwinggyroskop 10 hergestellt wird. Da ein Lötmittel durch die Schnittabschnitte 26 an einem Anhaften an der Außenseite des Schwingers 12 gehindert ist, können die Charakteristika des Schwinggyroskops 10 gut erhalten werden.
  • Bei diesem Schwinggyroskop 10, wie es in 9 gezeigt ist, können Trägerbauglieder 28 in den Schnittabschnitten 26 befestigt sein. Diese Trägerbauglieder 28 sind z. B. aus Metalldrähten gebildet. Bei einem Befestigen ist das Trägerbauglied 28 durch einen Wärmezuführer 56 gehalten, wie es in 10 gezeigt ist, und bei einer hohen Temperatur gehalten. Durch ein Stecken des Trägerbauglieds 28 in die Metallschicht 18 an den Schnittabschnitten 26 wird die Metallschicht 18 geschmolzen und das Trägerbauglied 28 wird durchdrungen. Dann wird die geschmolzene Metallschicht 28 durch ein Kühlen verfestigt und das Trägerbauglied 28 wird dadurch befestigt. Das Trägerbauglied 28 kann in einem Zustand, wo die Temperatur desselben hoch gehalten ist, mit einem Flußmittel beschichtet werden und an den Schnittabschnitten 26 in die Metallschicht 18 gesteckt werden.
  • Da bei diesem Schwinggyroskop 10 die Trägerbauglieder 28 den Schwinger 12 durchdringen und durch die Metallschicht 18 befestigt sind, kann eine Befestigungsstärke höher gemacht werden als bei einem herkömmlichen Schwinggyroskop, bei dem Trägerbauglieder auf die Schwingeroberfläche gelötet werden. Selbst falls das Schwinggyroskop 10 durch ein Fallen erschüttert wird, wird es daher verhindert, daß sich die Trägerbauglieder 28 lösen.
  • Da bei diesem Schwinggyroskop 10, wie es in 11 gezeigt ist, die Trägerbauglieder 28 ferner reale Knoten des Schwingers 12 durchdringen, kann der Schwinger 12 dazu gebracht werden, biegemäßig um die Trägerbauglieder 28 zu schwingen. Bei dem herkömmlichen Schwinggyroskop jedoch, bei dem die Trägerbauglieder auf der Schwingeroberfläche befestigt sind, wie es in 12 gezeigt ist, werden die Knoten, um die die biegemäßige Schwingung gemacht wird, von den Trägerbaugliedern abgelenkt. Folglich ist bei dem Schwinggyroskop 10 der vorliegenden Erfindung ein Schwingungslecken von dem Trägerbauglied 28 gering und es werden verglichen mit dem herkömmlichen Schwinggyroskop stabile Charakteristika erhalten.
  • Als die Trägerbauglieder 28 können plattenähnliche Trägerbauglieder verwendet werden, wie es in 13 gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Platten ausgestempelt, so daß die vorderen Enden derselben sich verschmälern und die vorderen Enden in die Schnittabschnitte 26 des Schwingers 12 eingebracht werden. In diesem Fall wird die Metallschicht 18 auch geschmolzen und die vorderen Enden der Trägerbauglieder 28 werden durch ein Erwärmen und Pressen der Trägerbauglieder gegen die Schnittabschnitte 26 in das Innere des Schwingers 12 eingebracht. Dann wird das geschmolzene Metall durch ein Kühlen verfestigt und die Trägerbauglieder 28 werden durch die Metallschicht 18 befestigt. Obwohl die Trägerbauglieder 28 bei diesem Schwinggyroskop 10 nicht durchdringen, da die Trägerbauglieder 28 in das Innere des Schwingers 12 eingebracht und durch die Metallschicht 18 befestigt sind, können die gleichen Vorteile erhalten werden wie dieselben des in 9 gezeigten Schwinggyroskops 10. Ferner können die Schnittabschnitte 26 nicht nur wie ein Quadrat geformt sein, sondern auch wie der Buchstabe V, eine Rinne oder dergleichen.
  • Obwohl bei dem obigen Schwinggyroskop 10 lediglich die erste Elektrode 20 geteilt ist, kann die zweite Elektrode 24 auf eine ähnliche Weise geteilt sein. Selbst bei einer derartigen Elektrodenstruktur kann der Schwinger 12 durch ein Anlegen eines Treibersignals zwischen die zwei Elektroden 20 und 24 dazu gebracht werden, biegemäßig zu schwingen. In diesem Fall kann das Signal, das der Drehwinkelgeschwindigkeit entspricht, aus geteilten Abschnitten der ersten Elektrode 20 oder geteilten Abschnitten der zweiten Elektrode 24 genommen werden.
  • Ferner können die zwei piezoelektrischen Substrate 14 und 16 in die gleiche Richtung polarisiert sein. In diesem Fall wird die Metallschicht 18 z. B. als eine gemeinsame Elektrode verwendet und ein Ausgangssignal von der Metallschicht 18 wird zu der Oszillationsschaltung 46 rückgekoppelt. Durch ein Anlegen eines Signals von der Oszillationsschaltung 46 an die erste Elektrode 20 und die zweite Elektrode 24 kann der Schwinger 12 dazu gebracht werden, biegemäßig zu schwingen. Eine derartige Struktur erhöht die Verschiebung pro Einheitsspannung und verbessert eine Empfindlichkeit weiter. In anderen Worten ist es möglich, eine ausreichende Empfindlichkeit bei einer niedrigen Spannung zu erhalten und dadurch ein leistungssparendes Gyroskop zu erhalten. Zusätzlich ist es möglich, die Trägerbauglieder 28, die in der Metallschicht 18 befestigt sind, die als die gemeinsame Elektrode dient, als Anschlußdrähte zu verwenden und dadurch den Anschlußverdrahtungsprozeß zu vereinfachen.

Claims (4)

  1. Ein Schwinggyroskop (10), das folgende Merkmale aufweist: einen Schwinger (12), der zwei piezoelektrische Substrate (14, 16) aufweist, die durch eine Metallschicht (18) verbunden sind; Elektroden (20, 24), die jeweils auf einer äußeren Hauptoberfläche der zwei piezoelektrischen Substrate (14, 16) gebildet sind, wobei zumindest eine (20) der Elektroden (20, 24) geteilt ist; und ein Trägerbauglied, das einen Metalldraht zum Tragen des Schwingers aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (18) aus einem Material hergestellt ist, das einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger liegt als der Curie-Punkt der zwei piezoelektrischen Substrate (14, 16); und Schnittabschnitte (26) jeweils an Seiten der zwei piezoelektrischen Substrate (14, 16) an Knoten des Schwingers (12) gebildet sind und der Metalldraht an den Schnittabschnitten (26) preßmäßig in die Metallschicht (18) eingepaßt ist, um den Schwinger zu tragen.
  2. Ein Schwinggyroskop (10) gemäß Anspruch 1, bei dem zumindest eine Elektrode (20) durch eine erste Rille geteilt ist, die entlang einer Längsachse gebildet ist.
  3. Ein Schwinggyroskop gemäß Anspruch 2, bei dem die zumindest eine Elektrode (20) ferner durch zumindest eine zweite Rille geteilt ist, die sich quer zu der ersten Rille erstreckt und dieselbe kreuzt.
  4. Ein Schwinggyroskopherstellungsverfahren, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen von zwei piezoelektrischen Substraten (14, 16); und Erhalten eines Schwingers (12) durch ein Verbinden der zwei piezoelektrischen Substrate (14, 16) durch eine Metallschicht (18), dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (18) aus einem Metallmaterial hergestellt ist, das einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger liegt als der Curie-Punkt der zwei piezoelektrischen Substrate (14, 16), und dadurch, daß das Verfahren ferner folgende Schritte aufweist: Bilden von Schnittabschnitten (26) jeweils an den piezoelektrischen Substraten (14, 16) an den Knoten des Schwingers (12), bevor die piezoelektrischen Substrate (14, 16) verbunden werden; und Bilden eines Trägerbauglieds (28) durch ein preßmäßiges Einpassen eines Metalldrahts, der auf eine hohe Temperatur erwärmt ist, in die Metallschicht (18) bei den Schnittabschnitten (26).
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