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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Vibrator
und insbesondere auf einen Vibrator, der in einem
Vibrationsgyroskop verwendet wird, das für ein Navigationssystem
verwendet wird, das eine Position eines Fahrzeugs durch das
Erfassen der Winkelgeschwindigkeit desselben erfaßt und
dasselbe ordnungsgemäß führt, oder auf einen
Giergeschwindigkeitssensor, der eine externe Vibration zu dem Zweck,
dieselbe ordnungsgemäß zu dämpfen, erfaßt.
Beschreibung des Stands der Technik
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Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel
eines herkömmlichen Vibrators für ein Vibrationsgyroskop
zeigt, während Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Linie
IX-IX von Fig. 8 ist. Der Vibrator 1 weist einen
Vibrationskörper 2 auf. Der Vibrationskörper 2 ist beispielsweise aus
einem konstanten elastischen Metallmaterial in eine
gleichmäßige dreieckige Prismenform ausgebildet. Auf mittleren
Bereichen von drei Seitenflächen des Vibrationskörpers 2
sind piezoelektrische Elemente 3a, 3b bzw. 3c angebracht.
Die piezoelektrischen Elemente 3a, 3b und 3c sind
beispielsweise jeweils durch das Bilden von Elektroden auf beiden
Oberflächen einer piezoelektrischen Keramik gebildet.
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Bei dem Vibrator 1 sind beispielsweise zwei piezoelektrische
Elemente 3a und 3b zum Treiben und zum Erfassen verwendet,
während das weitere piezoelektrische Element 3c zur
Rückkopplung verwendet ist.
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Bei dem Vibrator 1 fällt ferner, da der Vibrationskörper 2
in eine regelmäßige, dreieckige Prismenform ausgebildet ist,
eine Resonanzfrequenz auf der Treiberseite mit einer
Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite zusammen.
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Wenn der Vibrator 1 beispielsweise in einem Vibrationsgyros
kop verwendet ist, ist zwischen dem piezoelektrischen
Element 3c zur Rückkopplung und den piezoelektrischen Elementen
3a und 3b zum Treiben eine Oszillationsschaltung als eine
Rückkopplungsschleife zum Selbst-Treiben verschaltet. Durch
ein Signal von der Oszillationsschaltung biegt sich der
Vibrationskörper 2 und schwingt in eine Richtung senkrecht zu
der Fläche, auf der das piezoelektrische Element 3c zur
Rückkopplung gebildet ist. Wenn der Vibrator 1 in diesem
Zustand gedreht wird, wird eine Differenz von
Ausgangsspannungen zwischen den zwei piezoelektrischen Elementen 3a und 3b
zur Erfassung erzeugt, wobei die Drehwinkelgeschwindigkeit
durch das Messen der Differenz der Ausgangsspannungen erfaßt
werden kann.
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Ferner können bei dem Vibrator 1 beispielsweise zwei
piezoelektrische Elemente 3a und 3b zur Rückkopplung und eine
Erfassung verwendet werden, wobei das andere piezoelektrische
Element 3c zum Treiben verwendet werden kann.
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Bei dem Vibrationsgyroskop, das den Vibrator, der in den
Fig. 8 und 9 gezeigt ist, verwendet, ist eine Schaltung zum
Verarbeiten eines Ausgangssignals verschaltet. Die Schaltung
weist einen Verstärker auf, der einen variablen Widerstand
besitzt, wobei die Empfindlichkeit des Vibrationsgyroskops
durch das Einstellen des variablen Widerstands gesteuert
wird.
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Jedoch wird, wenn eine derartige Schaltung verwendet wird,
das Vibrationsgyroskop groß, wobei dasselbe die
Anforderungen einer kleinen Größe und eines leichten Gewichts nicht
erfüllen kann.
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Da die Resonanzfrequenz auf der Treiberseite mit der
Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite zusammenfällt, ist bei
dem Vibrator, der in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, ferner
ein äguivalenter Qualitätsfaktor auf der Erfassungsseite
hoch. Daher ist bei dem Vibrator eine Phasenverzögerung
eines
Ausgangssignals auf der Erfassungsseite groß, wobei die
Charakteristik der Ausgabeantwort schlecht ist.
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Bei dem Vibrator, der in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigt ist,
fällt ferner, da die Resonanzfrequenz auf der Treiberseite
mit der Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite
zusammenfällt, die Oszillationsfrequenz des Vibrators mit der
Resonanzfreguenz auf der Erfassungsseite zusammen. Da die
Impedanz-Frequenzcharakteristik des Vibrators um die
Resonanzfrequenz nicht-linear ist, wird ohne weiteres eine
Driftkomponente in der ausgegebenen Differenz zwischen den zwei
piezoelektrischen Elementen zur Erfassung erzeugt, wenn die
Oszillationsfrequenz oder die Impedanz-Frequenzcharakteristik
des Vibrators sich durch eine Temperaturänderung ändert.
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Die DE-A-3926504 offenbart ein Vibrationsgyroskop, das einen
Vibrator aufweist. Der Vibrator weist einen dreieckigen,
prismenförmigen Vibrationskörper auf. Drei piezoelektrische
Elemente sind auf den jeweiligen Seitenflächen des
Vibrationskörpers befestigt. Um die Resonanzfrequenz auf der
Treiberseite und auf der Detektorseite in Einklang
miteinander zu bringen, wird gelehrt, den oberen
Kantenlinienabschnitt des Vibrationskörpers abzuhobeln.
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Es ist daher eine primäre Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Vibrator zur Verwendung in einem
Vibrationsgyroskop zu schaffen, dessen Ausgangssignal eine reduzierte
Phasenverzögerung und eine erhöhte Empfindlichkeit aufweist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Vibrator zu schaffen, bei dem die
Ausgabeantwortcharakteristik und die Driftcharakteristik gut sind.
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Diese Aufgaben werden durch eine Vibrator gemäß Anspruch 1
gelöst.
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Bei dem Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung wird der
äquivalente Qualitätsfaktor auf der Erfassungsseite gering,
da die Resonanzfrequenz auf der Treiberseite sich von der
Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite unterscheidet.
Daher wird bei dem Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Phasenverzögerung eines Ausgangssignals auf der
Erfassungsseite gering, wobei die Ausgabeantwortcharakteristik
gut wird.
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Da sich bei dem Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung
die Resonanzfrequenz auf der Treiberseite von der
Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite unterscheidet, schwingt der
Vibrator ferner in einem Bereich, in dem die
Impedanz-Frequenzcharakteristik auf der Erfassungsseite linear ist.
Daher wird bei dem Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung
die Driftcharakteristik gut.
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Die obigen Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung der Ausführungsbeispiele bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von
Fig. 1.
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Fig. 3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der
Verstimmungsfrequenz und der
Empfindlichkeitsänderungsrate des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 und
Fig. 2 zeigt.
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Fig. 4 ist ein Graph, der die
Impedanz-Frequenzcharakteristik und die Phasen-Frequenzcharakteristik auf der
Treiberseite und der Erfassungsseite bei dem
Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt
ist, zeigt, wobei die Resonanzfrequenz auf der
Erfassungsseite 3 Hz kleiner ist als die
Resonanzfreguenz auf der Treiberseite.
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Fig. 5 ist ein Graph, der die
Ausgangssignal-Phasenverzögerungs-Charakteristik gegenüber der
Winkelgeschwindigkeitsfrequenz bei dem Ausführungsbeispiel,
das in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, wobei die
Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite 3 Hz
kleiner ist als die Resonanzfrequenz auf der
Treiberseite, bei dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1
und Fig. 2 gezeigt ist, wobei die Resonanzfrequenz
auf der Erfassungsseite 1 Hz kleiner ist als die
Resonanzfrequenz auf der Treiberseite, und bei dem
herkömmlichen Beispiel, das in Fig. 8 und Fig. 9
gezeigt ist, zeigt.
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Fig. 6 ist ein Graph, der die
Ausgangssignal-Phasenverzögerungs-Charakteristik gegenüber der Differenz
zwischen der Resonanzfrequenz auf der Treiberseite und
der Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite bei
dem Vibrator, der mit einer Winkelgeschwindigkeit
von 5 Hz beaufschlagt ist, zeigt.
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Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die ein weiteres
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel
eines herkömmlichen Vibrators für ein
Vibrationsgyroskop zeigt.
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Fig. 9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IX-IX von
Fig. 8.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt, während Fig.
2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1
ist. Der Vibrator 10 weist einen Vibrationskörper 12 auf.
Der Vibrationskörper 12 ist beispielsweise aus einem
konstanten elastischen Metallmaterial in eine regelmäßige,
dreieckige Prismenform ausgebildet. Auf mittleren Bereichen
von drei Seitenflächen des Vibrationskörpers 12 sind
piezoelektrische Elemente 14a, 14b bzw. 14c gebildet. Das
piezoelektrische Element 14a weist beispielsweise einen
piezoelektrischen Körper 16a auf. Auf beiden Oberflächen des
piezoelektrischen Körpers 16a ist jeweils eine Elektrode 18a
und 20a gebildet. Eine Elektrode 20a ist an der Seitenfläche
des Vibrationskörpers 12 angebracht. In gleicher Weise
weisen die piezoelektrischen Elemente 14b und 14c
piezoelektrische Körper 16b und 16c auf, wobei auf beiden Oberflächen
der piezoelektrischen Körper 16b und 16c jeweils Elektroden
18b, 18c, 20b und 20c gebildet sind. Die Elektroden 20b und
20c sind an den Seitenflächen des Vibrationskörpers 12
angebracht. Bei dem Vibrator 10 sind zwei piezoelektrische
Elemente 14a und 14b zum Treiben und Erfassen verwendet, wobei
das andere piezoelektrische Element 14c zur Rückkopplung
verwendet ist.
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Wenn der Vibrator 10 beispielsweise in einem
Vibrationsgyroskop verwendet wird, ist zwischen das piezoelektrische
Element 14c zur Rückkopplung und die piezoelektrischen
Elemente 14a und 14b zum Treiben eine Oszillationsschaltung als
eine Rückkopplungsschleife zum Selbst-Treiben verschaltet.
Ferner sind die zwei piezoelektrischen Elemente 14a und 14b
zur Erfassung jeweils mit zwei Eingangsanschlüssen einer
Differentialverstärkerschaltung als einer
Erfassungsschaltung verbunden.
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Folglich biegt sich der Vibrator 10 durch ein Signal von der
Oszillationsschaltung und schwingt in einer Richtung
senkrecht zu der Fläche, auf der das piezoelektrische Element
14c zur Rückkopplung gebildet ist.
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Wenn der Vibrator 10 in diesem Zustand um eine axiale
Richtung desselben gedreht wird, wird die Vibrationsrichtung
durch die Coriolis-Kraft geändert, wobei eine Differenz
zwischen den Spannungen, die in den zwei piezoelektrischen
Elementen 14a und 14b zur Erfassung erzeugt werden,
auftritt. Die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der
piezoelektrischen Elemente 14a und 14b wird durch die
Differentialverstärkerschaltung verstärkt. Daher kann die
Drehwinkelgeschwindigkeit, mit der der Vibrator 10 beaufschlagt
ist, durch das Ausgangssignal der
Differentialverstärkerschaltung erfaßt werden.
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Bei dem Vibrator 10 werden die Resonanzfrequenzen durch das
Trimmen von mittleren Abschnitten der Kantenlinienabschnitte
des Vibrationskörpers 12 gesteuert. In diesem Fall wird
durch das Trimmen eines Kantenlinienabschnitts 12a zwischen
den Flächen, auf denen die piezoelektrischen Elemente 14a
und 14b gebildet sind, die Biege- und
Vibrations-Resonanzfrequenz in einer Richtung A, in der der
Kantenlinienabschnitt 12a und die demselben gegenüberliegende Fläche
verbunden sind, gesteuert. Ferner wird durch das Trimmen eines
Kantenlinienabschnitts 12b zwischen den Flächen, auf denen
die piezoelektrischen Elemente 14b und 14c gebildet sind,
die Biege- und Vibrations-Resonanzfrequenz in eine Richtung
B, in der der Kantenlinienabschnitt 12b und die demselben
gegenüberliegende Fläche verbunden sind, gesteuert. In
gleicher Weise wird durch das Trimmen eines
Kantenlinienabschnitts 12c zwischen den Flächen, auf denen die
piezoelektrischen Elemente 14a und 14c gebildet sind, die Biege- und
Vibrations-Resonanzfrequenz in einer Richtung C, in der der
Kantenlinienabschnitt 12c und die demselben
gegenüberliegende Fläche verbunden sind, gesteuert.
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Wenn die Resonanzfrequenz der Richtung B mit der
Resonanzfrequenz der Richtung C zusammenfällt, ist eine Differenz
zwischen der Resonanzfrequenz der Richtung A und der
Resonanzfrequenz der Richtungen B und C als eine
Verstimmungsfrequenz definiert. In diesem Fall ist die Beziehung
zwischen
der Verstirmmungsfrequenz und der
Empfindlichkeitsänderungsrate des Vibrators 10 in Fig. 3 gezeigt. Wie in Fig. 3
gezeigt ist, kann durch das Steuern der Verstimmungsfrequenz
die Empfindlichkeitsänderungsrate des Vibrators 10 gesteuert
werden. In diesem Fall kann, nach dem Zusammenfallen der
Resonanzfrequenzen der Richtungen A, B und C, durch das
Trimmen der mittleren Abschnitte der Kantenlinienabschnitt 12a,
12b und 12c des Vibrationskörpers 12 die
Verstimmungsfrequenz gesteuert werden.
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Wenn beispielsweise die Empfindlichkeit des Vibrators 10
gering ist, wird durch das Trimmen des Zwischenabschnitts des
Kantenlinienabschnitts 12a des Vibrationskörpers 12 die
Resonanzfrequenz der Richtung A gering, wodurch die
Empfindlichkeit erhöht werden kann. Wenn die Empfindlichkeit des
Vibrators 10 hoch ist, können ferner durch das Trimmen der
Zwischenabschnitte der Kantenlinienabschnitte 12b und 12c
die Resonanzfrequenzen der Richtungen B und C gering werden,
wodurch die Empfindlichkeit erniedrigt werden kann. Der
Vibrationskörper 12 kann durch ein Abhobeln oder ein Laser-
Wärmeschmelzen der Kantenlinienabschnitte 12a, 12b und 12c
getrimmt werden.
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Da bei dem Vibrator 10 die Empfindlichkeit durch das Trimmen
der Kantenlinienabschnitte des Vibrationskörpers 12
gesteuert wird, ist ein variabler Widerstand zum Steuern der
Empfindlichkeit in einer Schaltung zum Verarbeiten des
Ausgangssignals nicht notwendig. Daher wird das
Vibrationsgyroskop klein und weist ein geringes Gewicht auf.
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Als nächstes wird beschrieben, daß zwei Resonanzfrequenzen
auf der Erfassungsseite zusammenfallen, und daß die
Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite 3 Hz geringer ist als
die Resonanzfreguenz auf der Treiberseite, indem die
mittleren Abschnitte der Kantenlinienabschnitte 12a, 12b und 12c
bei dem Vibrator 10 dieses Ausführungsbeispiels getrimmt
werden. Da in diesem Fall der mittlere Abschnitt des
Kantenlinienabschnitts 12a des Vibrationskörpers 12 zwischen den
piezoelektrischen Elementen 14a und 14b getrimmt ist, wird
die Resonanzfrequenz auf der Treiberseite kleiner. Da der
mittlere Abschnitt des Kantenlinienabschnitts 12b des
Vibrationskörpers 12 zwischen den piezoelektrischen Elementen 14b
und 14c getrimmt ist, wird ferner eine Resonanzfrequenz auf
der Erfassungsseite geringer, wobei, da der mittlere
Abschnitt des Kantenlinienabschnitts 12c des Vibrationskörpers
12 zwischen den piezoelektrischen Elementen 14a und 14c
getrimmt ist, die andere Resonanzfrequenz auf der
Erfassungsseite geringer wird.
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Die Impedanz-Frequenzcharakteristik und die
Phasen-Frequenzcharakteristik auf der Treiberseite und der Erfassungsseite
des Vibrators 10 sind in Fig. 4 gezeigt.
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Da die Resonanzfrequenz auf der Treiberseite sich bei dem
Vibrator 10 von der Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite
unterscheidet, wird der aquivalente Qualitätsfaktor auf der
Erfassungsseite gering. Daher ist bei dem Vibrator 10 die
Phasenverzögerung des Ausgangssignals auf der
Erfassungsseite verringert, wobei die Ausgabeantwortcharakteristik gut
wird.
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Da sich bei dem Vibrator 10 die Resonanzfrequenz auf der
Treiberseite von der Resonanzfrequenz auf der
Erfassungsseite unterscheidet, schwingt der Vibrator 10 in einem Bereich,
in dem die Impedanz-Frequenzcharakteristik auf der
Erfassungsseite linear ist. Daher wird bei dem Vibrator 10 die
Driftcharakteristik gut.
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Wie in den Graphen von Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt ist, wird
die Ausgabeantwortcharakteristik gut, wenn sich bei dem
Vibrator die Resonanzfrequenz auf der Treiberseite von der
Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite unterscheidet.
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Unterdessen können bei dem Vibrator 10, der in Fig. 1 und
Fig. 2 gezeigt ist, zwei piezoelektrische Elemente 14a und
14b zur Rückkopplung und Erfassung verwendet werden, wobei
das andere piezoelektrische Element 14c zum Treiben
verwendet werden kann.
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Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die ein weiteres
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Vibrator
10, der in Fig. 7 gezeigt ist, weist speziell einen
regelmäßigen, quadratischen, prismenförmigen Vibrationskörper 12
auf. Auf mittleren Bereichen von vier Seitenflächen des
Vibrationskörpers 12 sind piezoelektrische Elemente 14a, 14b,
14c bzw. 14d gebildet.
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Bei dem Vibrator 10, der in Fig. 7 gezeigt ist, sind zwei
piezoelektrische Elemente 14a und 14b zum Treiben und
Erfassen verwendet, während die anderen zwei piezoelektrischen
Elemente 14c und 14d zur Rückkopplung verwendet sind.
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Überdies unterscheidet sich bei dem Vibrator 10, der in Fig.
7 gezeigt ist, durch das Trimmen von mittleren Abschnitten
der Kantenlinienabschnitte 12a, 12b, 12c und 12d des
Vibrationskörpers 12 die Resonanzfrequenz auf der Treiberseite
von zwei Resonanzfrequenzen auf der Erfassungsseite. Da der
mittlere Abschnitt des Kantenlinienabschnitts 12a des
Vibrationskörpers 12 zwischen den piezoelektrischen Elementen
14a und 14b oder der Kantenlinienabschnitt 12c zwischen den
piezoelektrischen Elementen 14c und 14d in diesem Fall
getrimmt ist, wird die Resonanzfrequenz auf der Treiberseite
geringer. Da der mittlere Abschnitt des
Kantenlinienabschnitts 12b des Vibrationskörpers 12 zwischen den
piezoelektrischen Elementen 14b und 14c in diesem Fall getrimmt
ist, wird die eine, Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite
geringer, wobei, da der mittlere Abschnitt des
Kantenlinienabschnitts 12d des Vibrationskörpers 12 zwischen den
piezoelektrischen Elementen 14a und 14d getrimmt ist, die andere
Resonanzfrequenz auf der Erfassungsseite geringer wird.
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Da sich bei dem Vibrator, der in Fig. 7 gezeigt ist, die
Resonanzfrequenz auf der Treiberseite von der Resonanzfrequenz
auf der Erfassungsseite unterscheidet, werden sowohl die
Ausgabeantwortcharakteristik als auch die
Driftcharakteristik gut.
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Ferner können bei dem Vibrator 10, der in Fig. 7 gezeigt
ist, durch das Trimmen der Kantenlinienabschnitte 12a, 12b,
12c und 12d die Verstimmungsfrequenz und die Empfindlichkeit
gesteuert werden.
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Ferner können bei dem Vibrator 10, der in Fig. 7 gezeigt
ist, zwei piezoelektrische Elemente 14a und 14b zum Treiben
verwendet werden, während die anderen zwei piezoelektrischen
Elemente 14c und 14d zur Rückkopplung und Erfassung
verwendet werden können.
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Bei den oben genannten Ausführungsbeispielen ist kein
piezoelektrisches Element nur zur Rückkopplung ausgebildet. In
diesem Fall wird das piezoelektrische Element zur Erfassung
auch zur Rückkopplung verwendet.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann ein mittlerer Abschnitt
eines Kantenlinienabschnitts eines anderen polygonalen,
prismenförmigen Vibrationskörpers neben dem regelmäßigen,
dreieckigen, prismenförmigen und dem regelmäßigen,
quadratischen, prismenförmigen getrimmt werden.