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Diese
Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrations-
oder Oszillationstyps.
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Winkelgeschwindigkeitssensoren
(Gyrosensoren) werden grob in einen. mechanischen Typ, der die Präzession
eines Rotationskörpers
verwendet, einen optischen Typ, der die Lichtempfangszeitänderung
abhängig
von der Umdrehung eines sich in einem Gehäuse drehenden Laserstrahls
verwendet, einen Fluidtyp, der eine Heizdrahttemperatur erfaßt, welche
die Einspritzmenge eines Fühlgases
wiedergibt, die sich abhängig
von der Drehung eines Gehäuses ändert, wenn
das Sensierungsgas auf den Heizdraht in dem Gehäuse gesprüht wird und andere Typen unterteilt.
Andererseits werden Winkelgeschwindigkeitssensoren in jüngerer Zeit
zur Erkennung der Fahrrichtung eines Kraftfahrzeuges in einem Fahrzeugnavigationssystem
oder dergleichen notwendig. Ein Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps
wird bevorzugt in derartigen Systemen verwendet, da der Vibrationstyp
hinsichtlich Kosten und Gewicht im Vergleich mit den oben beschriebenen
anderen Typen vorteilhaft ist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor
des Vibrationstyps hat einen Vibrator, der in einer bestimmten Referenzrichtung oszilliert
und, wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf diesen Vibrator wirkt,
eine neue Oszillationskomponente auf der Grundlage einer Corioliskraft
erkennt (nachfolgend als eine Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente
bezeichnet), die in einer Sensierungsrichtung senkrecht zu der Standardvibrationsrichtung
erzeugt wird, wonach dann eine Winkelgeschwindigkeitsinformation
auf der Grundlage der erkannten Oszillationskomponente ausgegeben
wird. Beispielsweise ermöglicht
in einem Fahrzeugnavigationssystem die Überwachung der momentanen Position
auf der Grundlage von GPS (Global Positioning System), grob die
Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs zu erfassen, jedoch kann plötzlichen
Richtungsänderungen
des Fahrzeugs an Kreuzungen oder dergleichen nicht gefolgt werden.
Somit ist es notwendig, eine Drehbewegung des Fahrzeugs auf der
Grundlage der Winkelgeschwindigkeit zu erfassen. In diesem Fall
wird der Drehrichtungswinkel durch Integration momentaner Werte
der Winkelgeschwindigkeit berechnet. Die Bewegungskomponenten des
Vibrators, welche von dem oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor
des Vibrationstyps erkannt werden, sind jedoch nicht immer auf die Corioliskraft
beschränkt,
welche von der Winkelgeschwindigkeit stammt. Wenn dieser Sensor
in ein Fahrzeug oder dergleichen eingebaut wird, enthalten die Bewegungskomponenten
des Vibrators unnötige Beschleunigungskomponenten,
welche der Corioliskraftkomponente überlagert sind, beispielsweise
ein plötzlicher
Stoß oder
irgendwelche anderen Vibrationen, welche von Nicht-Winkelgeschwindigkeitsfaktoren
verursacht werden. Diese unnötigen
Beschleunigungskomponenten treten als Störrauschen in der zu erfassenden
Winkelgeschwindigkeit auf und verschlechtern demzufolge die Sensierungsgenauigkeit des
Sensors, wenn dieser Sensor zur Erkennung der Fahrtrichtung eines
Kraftfahrzeuges verwendet wird.
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Die
offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2001-153659 beschreibt einen bekannten Winkelgeschwindigkeitssensor,
der zwei kombinierte Sensoren beinhaltet, welche in der Standardvibrationsrichtung
mit zueinander entgegengesetzten Phasen vibrieren und der eine letztendliche
Winkelgeschwindigkeitswellenform ausgibt, welche einer Differenz
zwischen den Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponentenwellenformen
der beiden Sensoren entspricht. Wenn die Vibratoren mit gegeneinander
entgegen gesetzten Phasen oszillieren haben die Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponenten, welche
von diesen Vibratoren erkannt werden, ebenfalls die gegeneinander
entgegengesetzte Phasenbeziehung. Andererseits, die oben beschriebenen unnötigen Beschleunigungskomponenten
treten als sich in Phase befindlichen Komponenten auf. Somit können durch
Erhalt einer Differenzialwellenform diese sich in Phase befindlichen
Beschleunigungskomponenten aufgehoben werden, so daß nur die
notwendigen Winkelgeschwindigkeitsoszillationskomponenten verbleiben.
Die Sensorgenauigkeit kann erhöht
werden.
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Neben
dem Vibrator (z. B. einem Erkennungsgewicht) enthält jedoch
ein Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps für gewöhnlich einen
Vibratorantriebsabschnitt zur Betätigung des Vibrators (beispielsweise
Kammzahnelektroden und piezoelektrische Elemente, wie sie in dem
oben beschriebenen Dokument nach dem Stand der Technik offenbart
sind) und einen Erkennungsabschnitt, der eine Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente
erkennt (z. B. einen Verschiebungserkennungsabschnitt des Kapazitätstyps).
Diese Komponenten sind unvermeidlich Herstellungsfehlern unterworfen, welche
möglicherweise
individuelle Sensorunterschiede in den Sensierungseigenschaften
für die Winkelgeschwindigkeit
bewirken. Diese individuellen Sensorunterschiede bewirken eine Differenz
in der Sensierungsgenauigkeit der sich in Phase befindlichen Beschleunigungskomponenten,
welche von zwei kombinierten Sensoren erkannt werden, die die oben
beschriebenen Vibrationen mit entgegengesetzter Phase bewirken.
Infolgedessen verbleiben einige der in Phase befindlichen Komponenten,
selbst wenn der oben beschriebene Ablauf zum Erhalt der Differenzialwellenform
durchgeführt
wird. Die Sensierungsgenauigkeit der Winkelgeschwindigkeit wird somit
verschlechtert.
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Das
oben beschriebene Dokument nach dem Stand der Technik offenbart
einen Verschiebungssensierungsabschnitt des Kapazitätstyps,
genauer gesagt, einen Vibrationserkennungskondensator, der in der
Lage ist, den Abstand zwischen Elektroden in Antwort auf eine angelegte
Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente zu ändern. Eine
konstante Vorspannung wird an diesen vibrationserkennenden Kondensator
angelegt. Eine Ladungsbetragänderung
des Vibrationserkennungskondensators, welche abhängig von der Änderung des
Abstandes zwischen den Elektroden auftritt, wird in eine Spannungswellenform
umgewandelt und als eine Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
erzeugt. Die Faktoren, welche die Differnz in der Beschleunigungssensierungsgenauigkeit
des Sensors bewirken, umfassen Änderungen
oder Schwankungen der Vorspannung, welche an den Vibrationserkennenden
Kondensator angelegt wird. Um dies zu beseitigen, schlägt das oben
beschriebene Dokument nach dem Stand der Technik die Verwendung eines
imaginären
Kurzschlusses eines Operationsverstärkers bei der Erzeugung einer
Differenzwellenform von Ausgängen
einer Mehrzahl von Sensoren vor und liefert die Spannung einer Referenzenergiequelle
an die vibrationserkennenden Kondensatoren der jeweiligen Sensoren.
Gemäß diesem
System wird es möglich,
den nachteiligen Einfluß aufgrund
einer Änderung
oder Schwankung der Vorspannung zu verringern. Dieses System ist
jedoch nicht insgesamt wirksam, nachteilige Einflüsse aufgrund
von sich ändernden
Faktoren anders als die Vorspannung zu verringern, beispielsweise
Gewicht und Größe des Vibrators
(d. h. Erkennungsgewicht), die Spezifikationen des Vibratorantriebsabschnittes
oder der Elektrodenbereich des vibrationserkennenden Kondensators.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts
der oben beschriebenen Probleme hat die vorliegende Erfindung zur
Aufgabe, einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps bereitzustellen,
der bei einer Winkelgeschwindigkeits-Sensiervorrichtung zur Ausgabe
einer Differenzialwellenform zwischen zwei Sensoreinheiten des Vibrationstyps
anwendbar ist und in der Lage ist, die Differenz von sich in Phase
befindlichen Komponenten zu verringern, welche in den Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
der jeweiligen Sensoren auftreten und auch in der Lage ist, sich
in Phase befindliche Komponentenrauschpegel in der Differenzialwellenform
zu verringern, ohne daß eine
nachteilige Beeinflussung durch verschiedene Faktoren erfolgt, welche
derartige Änderungen
oder Rauschen bewirken, so daß die
Sensierungsgenauigkeit der Winkelgeschwindigkeit verbessert wird.
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Zur
Lösung
der obigen und anderer zugehöriger
Aufgaben schafft die vorliegende Erfindung einen Winkelgeschwindigkeitssensor
des Vibrationstyps mit ersten und zweiten Sensoreinheiten, von denen
jede einen Vibrator hat, der in einer vorbestimmten Standardvibrationsrichtung
schwingt und einem Sensierungswellenform-Erzeugungsabschnitt, der eine
Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente erkennt, die in einer
Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsrichtung
erzeugt wird, die unterschiedlich zu der Standardsvibrationsrichtung
ist, wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf den Vibrator einwirkt und auch
eine Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform auf der Grundlage
der Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente erzeugt. Die ersten und
zweiten Sensoreinheiten veranlassen, daß ihre Vibrationen mit einander
entgegengesetzten Phasen in der Standardvibrationsrichtung schwingen,
so daß die
jeweiligen Sensierungswellenform-Erzeugungsabschnitte
veranlaßt
werden, die ersten und zweiten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
mit wechselseitig umgekehrten Phasen zu erzeugen. Eine Differenzialwellenform-Erkennungsvorrichtung ist
vorgesehen, um eine Differenzialwellenform zwischen der ersten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
und der zweiten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform zu
erhalten, so daß sich
in Phase befindliche Komponenten, welche auf die jeweiligen Vibrationen
der ersten und zweiten Sensoreinheiten in Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsrichtung
wirken, aufgehoben werden. Eine Eingangsverstärkungseinstellvorrichtung ist
vorgesehen, um wenigstens eine Eingangsverstärkung der ersten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
und eine Eingangsverstärkung
der zweiten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform einzustellen,
welche in die Differenzialwellenform-Erkennungsvorrichtung eingegeben
werden, um eine restliche sich in Phase befindliche Komponente der
Differenzialwellenform zu verringern.
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Bei
dem oben beschriebenen Aufbau des Beschleunigungssensors des Vibrationstyps
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird vorab wenigstens eine der Eingangsverstärkungen
der ersten und zweiten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
bei der Erkennung der Differenzialwellenform zwischen den beiden
Sensoreinheiten durch die differenziale Wellenform-Erkennungsvorrichtung
eingestellt. Somit kann die restliche sich in Phase befindliche
Komponente der Differenzialwellenform mit Sicherheit verringert
werden. Somit verringert die vorliegende Erfindung wirksam einen
Rauschpegel der sich in Phase befindlichen Komponente, der in der Differenzialwellenform
verblieben ist, selbst wenn die Sensierungseigenschaften gegenüber unnötigen Beschleunigungskomponenten,
welche diese sich in Phase befindlichen Komponenten verursachen,
in individuellen Sensoreinheiten unterschiedlich sind. Weiterhin
kann die vorliegende Erfindung die Sensierungsgenauigkeit der Winkelgeschwindigkeit
bei der Erkennung auf der Grundlage der Differenzialwellenform verbessern.
Weiterhin ist beim Vorgang der Erzeugung der Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
die Durchführung
der Verstärkungseinstellung
vor der Ereugung der Differenzialwellenform gemäß der vorliegenden Erfindung
wirksam dahingehend, nachteilige Einflüsse aufgrund von Unterschieden
oder Schwankungen wesentlich zu verringern, welche ihren Ursprung
von irgendwelchen anderen Faktoren haben. Es ist wünschenswert,
daß die
Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsrichtung mit der Richtung der
Corioliskraft übereinstimmt
(d. h. der Richtung senkrecht zu der Standardvibrationsrichtung).
Jedoch kann die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsrichtung auf eine
nicht senkrechte Richtung relativ zu der Standardvibrationsrichtung
gesetzt werden, so lange eine Projektionskomponente der Corioliskraft
mit Sicherheit erzeugt werden kann.
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Um
die Winkelgeschwindigkeit-Sensierungsgenauigkeit zu verbessern,
ist es wünschenswert,
die oben beschriebene Verstärkungseinstellung
derart durchzuführen,
daß die
Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenformen, welche von beiden Sensoreinheiten
erhalten werden, im Beschleunigungskomponentenpegel aneinander angeglichen werden,
so daß nämlich der
Aufhebungseffekt der sich in Phase befindlichen Komponenten optimiert wird.
Die Verstärkungseinstellung
kann für
beide der beiden Sensoreinheiten oder nur für eine hiervon durchgeführt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beinhaltet die Differenzialwellenform-Erkennungsvorrichtung
einen Differenzverstärkungsschaltkreis,
der Analogdaten der ersten und zweiten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenformen
eingibt und die Verstärkungseinstellvorrichtung
beinhaltet einen Verstärkungseinstellschaltkreis
mit analogem Eingang, der eine analoge Eingangsverstärkung der
Winkelgeschwindigkeits- Sensierungswellenform
einstellt. Die Verwendung des analogen Differenzverstärkungsschaltkreises
kann den Schaltkreisaufbau vereinfachen, der zur Verarbeitung der
Differenzialwellenform notwendig ist und erlaubt auch problemlos
eine Echtzeitverarbeitung. Die oben beschriebene Einstellung des Verstärkungsfaktors
kann als eine analoge Eingangsverstärkungsfaktoreinstellung für die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
durchgeführt
werden.
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Der
Sensierungswellenform-Erzeugungsabschnitt kann einen vibrationserkennenden
Kondensator zur Änderung
des Abstandes zwischen Elektroden abhängig von der Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente,
eine Vorspannungsleistungsquelle zur Anlegung einer konstanten Vorspannung an
den vibrationserkennenden Kondensator, einen Ladungsverstärker zur
Erkennung einer Ladungsbetragsänderung
des vibrationserkennenden Kondensators abhängig von einer Änderung
des Abstandes zwischen den Elektroden, wenn die Vorspannung angelegt
wird und zur Wandlung der erkannten Ladungsbetragsänderung
in eine Spannung zur Ausgabe einer Winkelgeschwindigkeit-Sensierungsspannungswellenform
beinhalten. Die Verwendung des Ladungsverstärkers kann die Winkelgeschwindigkeit-Sensierungswellenform
einer jeden Sensoreinheit als Spannungswellenform handhaben. In
diesem Fall wird der Verstärkungsfaktoreinstellschaltkreis
mit analogem Eingang zwischen dem Ladungsverstärker und dem Differenzverstärkungsschaltkreis
zur Einstellung eines Eingangsverstärkungsfaktors der Winkelgeschwindigkeit-Sensierungsspannungswellenform
angeordnet, welche von dem Ladungsverstärker erzeugt wird und dem Differenzverstärkungsschaltkreis
eingegeben wird. Unter Verwendung von Widerständen ist die Winkelgeschwindigkeit-Sensierungsspannungswellenform
leicht einstellbar. Der Schaltkreisaufbau kann vereinfacht werden.
Der Freiheitsgrad bei der Auslegung des Schaltkreises kann erhöht werden.
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Genauer
gesagt, der Verstärkungsfaktoreinstellschaltkreis
mit analogem Eingang hat einen Pufferverstärker an einer Eingangsstufe
des Differenzverstärkungsschaltkreises,
der die Winkelgeschwindigkeit-Sensierungswellenform eingibt. Wenigstens ein
Teil eines Verstärkungsfaktor-Bestimmungswiderstandes
des Pufferverstärkers
wird durch einen variablen Widerstand gebildet. Ein Ausgang des
Pufferverstärkers,
der im Verstärkungsfaktor
auf der Grundlage der Widerstandswerteinstellung mit dem vaiablen
Widerstand eingestellt worden ist, wird dem Diferenzialverstärkungsschaltkreis
als Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform eingeben, welch
der analogen Eingangsverstärkungsfaktoreinstellung
unterworfen wurde. Mit dieser Anordnung ist der unabhängige Pufferverstärker mit
der Eingangsseite des Differenzverstärkungsschaltkreises verbunden.
Die Winkelgeschwindigkeits-Vibrationswellenform, welche von jeder
Sensoreinheit erzeugt wird, kann dem Differenzverstärkungsschaltkreis
ohne Hinzuaddieren unnötiger
Gewichtungskomponenten eingegeben werden. weiterhin kann die Verstärkungsfaktoreinstellung
des Eingangspegels unabhängig
in einem weiten Bereich durchgeführt
werden.
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Weiterhin,
wenn die Verstärkungsfaktoreinstellung
des Eingangspegels nicht in einem weiten Bereich durchgeführt werden
muß, ist
es wünschenswert,
daß der
analoge Eingangsverstärkungsfaktoreinstellschaltkreis
einen variablen Widerstand beinhaltet, der zumindest einen Teil
des Verstärkungsfaktorbestimmungswiderstandes
des Differenzverstärkungsschaltkreises
bildet und der analoge Eingangsverstärkungsfaktoreinstellschaltkreis
stellt den analogen Eingangsverstärkungsfaktor der Winkelgeschwindigkeit-Sensierungswellenform,
die dem Differenzverstärkungsschaltkreis
eingegeben wird, auf der Grundlage einer Widerstandswerteinstellung des
variablen Widerstandes ein.
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Weiterhin
kann die analoge Eingangsverstärkungsfaktoreinstellung
nur einmal gemacht werden, beispielsweise bevor der Sensor in den
Vertrieb gelangt. In diesem Fall ist es bevorzugt, daß der variable
Widerstand, der für
die analoge Eingangsverstärkungsfaktoreinstellung
verwendet wird, einen Widerstandswert hat, der irreversibel änderbar
ist und nur in einer bestimmten Richtung einstellbar ist, um alterungsbedingte Änderungen
eines einmal eingestellten Wertes zu unterdrücken. Genauer gesagt, der variable
widerstand ist bevorzugt ein mittels Laser trimmbarer Widerstand.
Wenn mit dem Laserstrahl bearbeitet, ändert sich die Konfiguration
dieses mit Laser trimmbaren Widerstandes physikalisch und irreversibel.
Die einmal verarbeitete Konfiguration des mit Laser trimmbaren Widerstandes
ist stabil und verbleibt unverändert,
bis der Laser-Trimmvorgang erneut verwendet wird. Dies ist vorteilhaft
dahingegend, daß der
Widerstandswert und der eingestellte analoge Eingangsverstärkungsfaktorwert
konstant gehalten werden können.
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Weiterhin
können
zwei Sensoreinheiten des Vibrationstyps die Differenz nicht nur
in der zu erkennenden sich in Phase befindlichen Komponente bewirken,
sondern auch in der Phase der Winkelgeschwindigkeitssensierungswellenform.
Beispielsweise in dem Fall, in dem sich die mechanischen Resonanzeigenschaften
dieser Vibratoren in Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsrichtung
(genauer gesagt die Resonanzcharakteristikfrequenzen) in beiden
Sensoreinheiten unterscheiden, ist es aus der Theorie elastischer
Vibrationen bekannt, daß sich die
Vibrationswellenformphase abhängig
von der Differenz zwischen einer tatsächlichen Frequenz des Vibrators
und seiner charakteristischen Frequenz ändert. Solche Unterschiede,
welche in den Resonanzcharakteristika auftreten, werden für gewöhnlich durch
die Differenz im Elastizitätskoeffizienten
zwischen zwei elastischen Tragteilen bewirkt, welche er möglichen,
daß der
Oszillator relativ zu einem festen Schwenkpunkt schwingt. wenn irgendeine
Phasendifferenz zwischen zwei winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenformen
erzeugt wird, verbleibt eine erhebliche Differenzialkomponente,
welche von einer derartigen Phasendifferenz abgeleitet wird, selbst
nach der oben erwähnten
Verstärkungsfaktoreinstellung
zur Einstellung der sich in Phase befindlichen Komponentenpegel.
Somit verschlechtert sich die Sensierungsgenauigkeit. Es ist daher wünschenswert,
eine Phaseneinstellvorrichtung bereitzustellen, mit der eine Eingangswellenformphase zumindest
von einer von erster Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
und zweiter Winkelgeschwindigkeits-Wellenform zur Eingabe in die
Differenzialwellenform-Erkennungsvorrichtung einstellbar ist. Die
von der Phaseneinstellvorrichtung durchgeführte Phaseneinstellung kann
die Phasendifferenz verringern, bevor die Differenzialwellenform
erzeugt wird, selbst wenn eine derartige Phasendifferenz zwischen
beiden Wellenformen erzeugt wird. Somit kann die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsgenauigkeit
bei der Erkennung auf der Grundlage der Differenzialwellenform verbessert
werden.
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Weiterhin
ist es bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps der
vorliegenden Erfindung möglich,
einen Signalverarbeitungsabschnitt für jeden Ausgang der ersten
und zweiten Sensoreinheiten bereitzustellen, um eine Rauschkomponente zu
entfernen, welche eine Frequenz unterschiedlich zu einer Betriebsfrequenz
des Vibrators hat. Der Signalverarbeitungsabschnitt kann wirksam
die voranstehend beschriebenen unnötigen Beschleunigungskomponenten
entfernen, welche in einem Frequenzbereich liegen, der weit von
der Betriebsfrequenz entfernt ist. Wenn jedoch sich in Phase befindliche
Komponenten auf jeweilige Vibratoren der ersten und zweiten Sensoreinheiten
einwirken und eine rauschnahe Oszillationskomponente in einem Frequenzbereich
haben, der um ±50%
um die Betriebsfrequenz reicht (d.h. ein Frequenzbereich mit seiner
Mitte bei der Betriebsfrequenz und einer Breite von ±50% bezüglich dieser
Mitte), wird der obige Signalverarbeitungsabschnitt nicht ausreichend
arbeiten. Somit ist es bevorzugt, daß die Eingangsverstärkungsfaktor-Einstellvorrichtung
eine Amplitudeneinstellung für eine
Sensorausgangswellenform durchführt,
welche als zusammengesetzter Ausgang der Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente
und der rauschnahen Oszillationskomponente ausgegeben wird, und
zwar zumindest für
eine der ersten und zweiten Sensoreinheiten. Im Ergebnis wird es
möglich,
eine relative Amplitudendifferenz zwischen zwei rauschnahen Oszillationskomponenten
jeweiliger Sensoreinheiten zu verringern. Insbesondere wenn die
rauschnahe Oszillationskomponente innerhalb eines Frequenzbereiches
ist, der von ±10%
um die Betriebsfrequenz liegt (d.h. einem Frequenzbereich mit seiner
Mitte bei der Betriebsfrequenz und einer Breite von ±10% bezüglich dieser
Mitte), ist es praktisch unmöglich,
diese rauschnahe Oszillationskomponente zu entfernen, selbst wenn
der Signalverarbeitungsabschnitt die Filtergenauigkeit verbessert.
Hier bringt die obige Anordnung bemerkenswerte Effekte.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
obigen und weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung,
welche in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung zu lesen ist,
in der:
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1 ein Schaltkreisdiagramm
ist, welches einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein Schaltkreisdiagramm
ist, welches den Aufbau eines Sensierungswellenform-Erzeugungsabschnittes
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3A eine Draufsicht auf ein
Beispiel eines lasertrimmbaren Widerstandes gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine Seitenansicht ist,
welche den lasertrimmbaren Widerstand von 3A zeigt;
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4A bis 4D Ansichten sind, welche verschiedene
Beispiele des lasertrimmbaren Widerstandes zeigen;
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5 eine graphische Darstellung
ist, welche das Prinzip der Aufhebungsverarbeitung von sich in Phase
befindlichen Komponenten erläutert, welche
in dem Beschleunigungssensor des Vibrationstyps durchgeführt wird
(im Fall eines Sensorrauschens außer dem Band);
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6 eine graphische Darstellung
ist, welche die Arbeitsweise des Beschleunigungssensors des Vibrationstyps
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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7 ein Schaltkreisdiagramm
ist, welches den Beschleunigungssensor des Vibrationstyps gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 ein Schaltkreisdiagramm
ist, welches den Beschleunigungssensor des Vibrationstyps gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ein Schaltkreisdiagramm
ist, welches den Beschleunigungssensor des Vibrationstyps gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ein Schaltkreisdiagramm
ist, welches den Beschleunigungssensor des Vibrationstyps gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11 eine graphische Darstellung
ist, welche das Prinzip der Aufhebungsverarbeitung von sich in Phase
befindlichen Komponenten erläutert, welche
in dem Beschleunigungssensor des Vibrationstyps durchgeführt wird
(im Fall eines Sensorrauschens außer dem Band);
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12 eine graphische Darstellung
ist, welche das Rauschen erläutert,
welches in dem Sensorband von 11 verbleibt;
und
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13 eine graphische Darstellung
ist, welche die Arbeitsweise des Beschleunigungssensors des Vibrationstyps
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt (im Fall von Inbandrauschen des Sensors).
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BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beigefügte
Zeichnung beschrieben.
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1 ist ein Schaltkreisdiagramm,
welches einen Gesamtaufbau eines Winkelgeschwindigkeitssensors des
Vibrationstyps (der nachfolgend als "Winkelgeschwindigkeitssensor" vereinfacht sein kann)
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 des
Vibrationstyps hat einen Sensierungsabschnitt, der aus einer ersten
Sensoreinheit 100 und einer zweiten Sensoreinheit 200 besteht.
Die erste Sensoreinheit 100 beinhaltet einen Vibrator (z.
B. ein Gewicht) 4a und einen Sensierungswellenform-Erzeugungsabschnitt 15,
wohingegen die zweite Sensoreinheit 200 einen Vibrator
(z. B. ein Gewicht) 4b und Sensierungs-Wellenformerzeugungsabschnitte 16 beinhaltet.
Die Vibratoren 4a und 4b schwingen in einer vorbestimmten
Standardvibrationsrichtung X. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf
die jeweiligen Vibratoren 4a und 4b aufgebracht
wird, wird eine Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente in
einer bestimmten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsrichtung Y erzeugt,
welche unterschiedlich zu der Standardvibrationsrichtung X ist.
Bei dieser Ausführungsform
ist die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsrichtung Y senkrecht zur
Standardvibrationsrichtung X. Jeweilige Sensierungswellenform-Erzeugungsabschnitte 15 und 16 erkennen
die Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente und erzeugen eine
Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform auf der Grundlage der Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente.
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Die
Sensoreinheiten 100 und 200 veranlassen die jeweiligen
Vibratoren 4a und 4b mit gegeneinander entgegengesetzten
Phasen in Standardvibrationsrichtung X zu schwingen, so daß die Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponenten,
welche in der Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsrichtung Y auftreten,
zueinander invertierte Phasen haben. Infolgedessen werden die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenformen
als erste und zweite Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenformen W1
und W2 erzeugt, welche zueinander invertierte Phasen haben.
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Der
Sensierungswellenform-Erzeugungsabschnitt 15 beinhaltet
einen vibrationserkennenden Kondensator 5a, eine Vorspannungquelle 4v (siehe 2), die eine konstante Vorspannung
an den vibrationserkennenden Kondensator 5a anlegt und
einen Ladungsverstärker 20.
Der Sensierungswellenform-Erzeugungsabschnitt 16 beinhaltet
einen vibrationserkennenden Kondensator 5b, eine Vorspannungsquelle
(ähnlich
zur Vorspannungsquelle 4v), welche eine konstante Vorspannung
an den vibrationserkennenden Kondensator 5b anlegt, und
einen Ladungsverstärker 21.
Genauer gesagt, jeder der Vibratoren 4a und 4b ist
elastisch an einen Antriebsrahmen 3 über einen Ausleger 6 befestigt,
der einen Vibrationsschwenkpunkt ergibt, so daß jeder Vibrator in Y-Richtung
schwingen kann. Weiterhin ist der Antriebsrahmen 3 elastisch
an einem Sensorrahmen 10 über einen Ausleger 2 befestigt,
der einen Vibrationsschwenkpunkt ergibt, so daß jeder Vibrator in X-Richtung
schwingen kann. Die Vibratoren 4a und 4b können somit
zusammen mit dem Antriebsrahmen 3 in X-Richtung schwingen.
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Jeder
Antriebsrahmen 3 der jeweiligen Sensoreinheiten 100 und 200 hat
bewegliche Elektroden 1b, die an seiner Seitenoberfläche angebracht
sind. Die beweglichen Elektroden 1b, welche jeweils eine Einheitselektrode
bilden, die sich in X-Richtung erstreckt, sind mit konstanten Abständen wie
die Zähne eines
Kamms in Y-Richtung ausgerichtet. Weiterhin weist der Sensorrahmen 10 stationäre Elektroden 1a auf,
welche an jeder Seite so angeordnet sind, dass sie mit den beweglichen
Elektroden 1b gekoppelt sind. Die stationären Elektroden 1a,
welche jeweils eine Einheitselektrode bilden, die sich in X-Richtung erstreckt,
sind in konstanten Abständen
wie die Zähne
eines Kamms in Y-Richtung angeordnet. Die stationären Elektroden 1a und
die beweglichen Elektroden 1b überlappen einander abwechselnd
an ihren gegenüberliegenden
Enden.
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Ein
Antriebsoszillationsabschnitt 101 legt eine Antriebsspannung
mit konstanter Frequenz F zwischen die beweglichen Elektroden 1b und
die stationären
Elektroden 1a. Die beweglichen Elektroden 1b beginnen
mit einer Vi bration relativ zu den stationären Elektroden 1a mit
der Frequenz F in X-Richtung. Diese Vibrationskraft bewirkt, daß der Antriebsrahmen 3,
der mit den beweglichen Elektroden 1b integriert ist, schwingt.
Weiterhin schwingen die Vibratoren 4a und 4b in
X-Richtung (d. h. Standardvibrationsrichtung). In diesem Fall sind
die Richtungen der Antriebsspannung, welche an die jeweiligen Vibratoren 4a und 4b angelegt
wird, in X-Richtung in den jeweiligen Sensoreinheiten 100 und 200 zueinander entgegengesetzt.
Als Ergebnis bewirken die beiden Vibratoren 4a und 4b,
daß zueinander
entgegengesetzte phasensynchrone Schwingungen in X-Richtung auftreten.
Wenn eine zu erfassende Winkelgeschwindigkeit unter diesen Umständen an
die Vibratoren 4a und 4b angelegt wird, erzeugen
die Vibratoren 4a und 4b Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponenten
entsprechend der Corioliskraft, welche eine Amplitude haben, welche
die Größe der eingegebenen
Winkelgeschwindigkeit wiedergibt und welche in Y-Richtung zueinander
entgegengesetzte Phasen haben.
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Die
vibrationserkennenden Kondensatoren 5a und 5b ändern einen
Zwischenelektrodenabstand (d. h. den Abstand zwischen Elektroden)
abhängig von
der Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente. 2 zeigt die erste Sensoreinheit (d. h.
den Vibrator 4a) als repräsentativen Vibrator. Gemäß der Schaltkreisanordnung
von 2 ist der vibrationserkennende
Kondensator 5a über
den Vibrator 4a mit der Vorspannungsquelle 4v verbunden.
Eine konstante Vorspannung wird über
den Vibrator 4a von der Vorspannungsquelle 4v an
den vibrationserkennenden Kondensator 5a angelegt. Die
in dem vibrationserkennenden Kondensator 5a zu speichernde Ladungsmenge ändert sich
abhängig
von einer Änderung
des Zwischenelektrodenabstandes des vibrationserkennenden Kondensators 5a.
Der Ladungsverstärker 20 wandelt
die Lademenge des vibrationserkennenden Kondensators 5a in
eine Spannung und gibt eine Win kelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenform
aus. Der Ladungsverstärker 20 hat üblichen
bekannten Aufbau. Ein negativer Rückkopplungskondensator 20b,
der mit einem Operationsverstärker 20p verbunden
ist, speichert die elektrische Ladung, welche mit der Ladung des
vibrationserkennenden Kondensators 5a ausbalanciert ist.
Die Anschlußspannung
des negativen Rückkopplugskondensators 20b wird
einem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 20p als
spannungsgewandeltes Ladungssignal eingegeben. Somit bilden der
Operationsverstärker 20p und der
negative Rückkopplungskondensator 20b zusammen
einen Ladungsspannungswandlerschaltkreis, der die Ladung des vibrationserkennenden Kondensators 5a in
eine Spannung verstärkt
und ein verstärktes
Spannungssignal ausgibt. Der negative Rückkopplungswiderstand 20a erlaubt,
daß sich
der negative Rückkopplungskondensator 20b entlädt, wenn
der erzeugte Ladungspegel des vibrationserkennenden Kondensators 5a abnimmt.
Weiterhin hat der negative Rückkopplungswiderstand 20a die Funktion,
eine Sättigung
des Ausgangs des Operationsverstärkers 20p zu
verhindern. Eine Referenzenergiequelle 20v gibt eine Verstärkungsreferenzspannung
für den
Ladungsverstärker 20 aus.
-
Zurückkehrend
zu 1, so erhält der Differenzverstärkungsschaltkreis 22 Analogwerte
der ersten und zweiten Winkelgeschwindigkeit-Sensierungswellenformen,
welche von den jeweiligen Ladungsverstärkern 20 und 21 erzeugt
wurden. Der Differenzverstärkungsschaltkreis 22 besteht
aus einem Operationsverstärker 22p und
Verstärkungsfaktor-Bestimmungswiderständen 22a, 22b, 22c und 22d.
Die Widerstände 22a und 22b haben
den gleichen Widerstandswert (R1), wohingegen die Widerstände 22c und 22d den
gleichen Widerstandswert (R2) haben. Wenn der Operationsverstärker 22p Spannungen
K1 und K2 erhält,
erzeugt der Operationsverstärker 22p eine
Ausgangsspannung von (R2/R1)·(K1–K2). In
diesem Fall umfasst zum Zwecke der Vereinfachung der Erläuterung
K2 den Einfluß einer
Referenzspannung, welche von einer Referenzengergiequelle 22v geliefert
wird. Somit kann der Differenzverstärkungsschaltkreis 22 eine
Differenzkomponente zwischen den beiden Eingangsspannungen K1 und
K2 mit dem Verstärkungsfaktor R2/R1
ohne Erzeugung der Gewichtungsfaktoren für die Eingangsspannungen K1
und K2 verstärken.
-
weiterhin
sind dem Differenzverstärkungsschaltkreis 22 Pufferverstärker 31 und 32 zugeordnet,
welche analoge Eingangsverstärkungsfaktoreinstellschaltkreise
als Eingangsstufen zum Empfang der Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenformen
J1 und J2 bilden, welche von den jeweiligen Sensoreinheiten 100 und 200 geliefert werden.
Der Pufferverstärker 31 ist
als invertierender Verstärkerschaltkreis
bestehend aus einem Operationsverstärker 31p und Verstärkungsfaktor-Bestimmungswiderständen 31t und 31a angeordnet.
Auf ähnliche
Weise ist der Pufferverstärker 32 als
invertierender Verstärkerschaltkreis
bestehend aus einem Operationsverstärker p und Verstärkungsfaktor-Bestimmungswiderständen 32t und 32a angeordnet. Eine
Referenzenergiequelle 31v liefert eine Verstärkungsreferenzspannung über einen
widerstand 31c an einen nicht invertierenden Eingangsanschluß des Oberationsverstärkers 31p.
Auf ähnliche
Weise liefert eine Referenzenergiequelle 32v eine Verstärkungsreferenzspannung über einen
Widerstand 32c an einen nicht invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 32p.
Gemäß dieser
Ausführungsform
sind die negativen Rückkopplungswiderstände 31p und 32p als
variable Widerstände
ausgelegt. Mit anderen Worten, wenigstens einige der Verstärkungsfaktor-Bestimmungswiderstände der
jeweiligen Pufferverstärker 31 und 32 sind
variable Widerstände.
Diese Schaltkreisanordnung erlaubt, daß der Verstärkungsfaktor der jeweiligen
Pufferverstärker 31 und 32 linear
abhängig von
der Einstellung der Widerstandswerte der negativen Rückkopplungswiderstände 31t und 32t geändert wird.
-
Bei
der oben beschriebenen Schaltkreisanordnung werden die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenformen
J1 und J2, welche von den Sensoreinheiten 100 und 200 geliefert
werden, von den variablen Widerständen 31t und 32t ausgegeben
und dem Differenzverstärkungsschaltkreis 22 als
die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform eingegeben, welche
der analogen Eingangsverstärkungsfaktor-Einstellung
unterworfen wurde. Wie voranstehend beschrieben, so hat der Differenzverstärkungsschaltkreis 22 einen
konstanten Verstärkungsfaktor
(R2/R1). Somit kann der Pufferverstärker 31 unabhängig die
Einstellung des Eingangsverstärkungsfaktors
der Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenform von der
Sensoreinheit 100 durchführen. Der Pufferverstärker 32 kann
unabhängig
die Einstellung des Eingangsverstärkungsfaktors der Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenform
von der Sensoreinheit 200 durchführen. Weiterhin gibt die Eingangsverstärkungsfaktor-Einstellung,
die in den jeweiligen Pufferverstärkern 31 und 32 durchgeführt wird,
keinen wesentlichen Einfluß auf
den Verstärkungsfaktor
des Differenzverstärkungsschaltkreises 22.
Es ist jedoch möglich,
daß nur
einer der Pufferverstärker 31 und 32 die
Verstärkungsfaktoreinstellung
durchführt.
In diesem Fall wird einer der negativen Rückkopplungswiderstände 31t und 32t durch
einen festen Widerstand ersetzt.
-
Beispielsweise
wird die Einstellung eines analogen Verstärkungsfaktors nur einmal vor
dem Vertrieb des Sensors durchgeführt. Unter Berücksichtigung
dieser Umstände
verwendet diese Ausführungsform
lasertrimmbare Widerstände
zur Bildung der variablen Widerstände 31t und 32t.
Die 3A und 3B zeigen als ein Beispiel
einen la sertrimmbaren widerstand des Oberflächenanordnungstyps, der als
variabler Widerstand verwendet werden kann (obgleich nur der variable
Widerstand 31t gezeigt ist). Ein dicker Widerstandsfilm 41 ist
auf einer Hauptoberfläche
einer Substratplatte 42 ausgebildet und Elektroden 40 und 40 sind
an beiden Enden dieses Substrates 42 ausgebildet. Ein Laserstrahl
LB wird auf die Oberfläche
des dicken Widerstandsfilms 41 gerichtet, um eine Ausnehmung 41g zu
bilden, welche die elektrische Leitfähigkeit entlang der Oberfläche unterbindet.
Gemäß den 4A bis 4d ist die Ausbildung der Ausnehmung 41g beliebig und
hinsichtlich Muster und Länge
auf verschiedene Weise änderbar.
Der Widerstandswert des dicken Widerstandsfilms 41 wird
irreversibel geändert
und abhängig
von Muster und Länge
der Ausnehmung 41g bestimmt. Die Ausnehmung 41g verringert
die wesentlichen Breite des leitfähigen Pfads, der sich zwischen
den Elektroden 40 und 40 erstreckt oder vergrößert die
wesentlichen Länge
des leitfähigen Pfads.
Somit wird die Widerstandswert-Einstellung des dicken Widerstandsfilms 41 derart
durchgeführt, daß der Widerstand
im Vergleich zu dem Ausgangszustand erheblich anwächst.
-
Nachfolgend
wird eine Arbeitsweise des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 erläutert. Wie
bereits unter Bezug auf 1 erläutert, wenn
eine Winkelgeschwindigkeit, welche zu erfassen ist, auf die jeweiligen
Vibratoren 4a und 4b unter der Bedingung einwirkt,
daß die
Vibratoren 4a und 4b mit zueinander entgegengesetzten
Phasen in X-Richtung schwingen (d. h. in Standardvibrationsrichtung),
werden die Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponenten mit zueinander
entgegengesetzten Phasen in Y-Richtung erzeugt. In Antwort auf diese
Winkelgeschwindigkeit-Oszillationskomponenten wandeln die Ladungsverstärker 20 und 21 die
Ladungsmengenänderungs-Wellenform,
welche von den vibrationserkennenden Kondensatoren 5a und 5b erzeugt
worden sind, in Spannungen um und geben die ersten und zweiten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenformen
J1 und J2 aus.
-
Wenn
eine Winkelgeschwindigkeit auf die jeweiligen Vibratoren 4a und 4b,
welche in den Sensoreinheiten 100 und 200 in X-Richtung
vibrieren, einwirkt, wie in 1 gezeigt, ändert sich
die in Y-Richtung auftretende Corioliskraft in ihrer Richtung abhängig von
der Beschleunigung der jeweiligen Vibratoren 4a und 4b in
X-Richtung. Wenn die in X-Richtung laufenden Vibrationen der jeweiligen
Sensoreinheiten 100 und 200 in ihren Phasen entgegengesetzt sind,
sind die in Y-Richtung laufenden Vibrationen der jeweiligen Sensoreinheiten 100 und 200,
welche von der Corioliskraft herrühren, d. h. die Sensorausgangswellenformen
in ihren Phasen entgegengesetzt. Nachfolgend wird die Ausgangswellenformphase
der ersten Sensoreinheit 100 als erste Phase bezeichnet,
während
die Ausgangswellenformphase der zweiten Sensoreinheit 200 als
zweite Phase bezeichnet wird. Die Winkelgeschwindigkeit-Ausgangswellenformen,
welche von den jeweiligen Sensoreinheiten 100 und 200 erzeugt
werden, sind in ihren Amplituden im wesentlichen zueinander identisch,
wie mit durchgezogenen Linien in 5 dargestellt, wenn
diese Sensoreinheiten 100 und 200 so angeordnet
sind, daß sie
vollständig
zueinander äquivalent
sind, ohne nachteilig durch später
noch zu beschreibende verschiedene Änderungen beeinflußt zu werden,
und wenn unnötige
Beschleunigungskomponenten, welche durch andere Faktoren bewirkt
werden, nicht hinzuaddiert werden.
-
Für den Fall,
daß unnötige Beschleunigungskomponenten δg1 und δg2 den jeweiligen
Vibratoren 4a und 4b hinzuaddiert werden, werden
diese unnötigen
Beschleunigungskomponenten δg1
und 6g2 den Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenformen
J1 und J2 überlagert,
wie gestrichelt in 5 dargestellt.
wenn die unnötigen
Be schleunigungskomponenten δg1
und δg2
auf gleichem Pegel sind, können
diese Beschleunigungskomponenten δg1
und δg2
vollständig
in dem Differenzverstärkungsschaltkreis
aufgehoben werden. Jedoch können
die Vibratoren 4a und 4b, die in 1 gezeigt sind, hinsichtlich Gewicht
und Ausgestaltung leicht unterschiedlich sein. Die vibrationserkennenden
Kondensatoren 5a und 5b können in ihren Elektrodenflächen oder
in ihren Elektrodenabständen
an der Vibrationsmittenposition leicht unterschiedlich sein. Weiterhin
können
die jeweiligen Elemente (z. B. die Elektroden 1a und 1b),
welche die Treiberabschnitte der Vibratoren 4a und 4b für die Vibration
in X-Richtung bilden, leicht unterschiedlich sein. In solchen Fällen können die
richtigphasigen unnötigen Beschleunigungskomponenten δg1 und δg2 Unterschiede
in ihren Pegeln bewirken, wie in 6 gezeigt.
Wenn diese Wellenformen direkt in den Differenzverstärkungsschaltkreis
eingegeben werden, werden die unnötigen Beschleunigungskomponenten δg1 und δg2 nicht
vollständig
aufgehoben und verbleiben demzufolge als Teil der Differenzialwellenform.
Mit anderen Worten, die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsgenauigkeit
verschlechtert sich.
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Somit
werden gemäß dieser
Ausführungsform
die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenformen J1 und
J2 einmal in die Pufferverstärker 31 und 32 gemäß 1 eingegeben, um die Verstärkungsfaktoreinstellung
durchzuführen,
so daß die
Differenz zwischen den Beschleunigungskomponenten δg1 und δg2 gemäß 6 beseitigt wird. Nach Beendigung
der Verstärkungsfaktoreinstellung
schicken die Pufferverstärker 31 und 32 die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenformen
K1 und K2 an den Differenzverstärkungsschaltkreis 22 (siehe 1). Diese Verstärkungsfaktoreinstellung
kann flexibel einen inherenten Unterschied zwischen den Beschleunigungskomponenten δg1 und δg2 beseitigen,
wenn diese von den Variatio nen herrührt, welche von den oben beschriebenen verschiedenen
Faktoren beeinflußt
werden. Im Ergebnis verbleiben die Beschleunigungskomponenten δg1 und δg2 nicht
auf der Differenzwellenform. Die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsgenauigkeit kann
verbessert werden. Was das Verstärkungsfaktoreinstellverfahren
betrifft, kann eine geeignete Vibrationsvorrichtung verwendet werden,
um experimentell richtigphasige Beschleunigungen den jeweiligen
Sensoreinheiten 100 und 200 hinzuzuaddieren. Dann
kann die Pegelmessung der Beschleunigungskomponenten δg1 und δg2 im Vergleich
mit den reinen Wellenformen durchgeführt werden, welche erhalten
werden, wenn keine Beschleunigungskomponente den jeweiligen Sensoreinheiten 100 und 200 hinzuaddiert
wird.
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Die
Verstärkungsfaktoreinstellung
wird so durchgeführt,
daß die
Beziehung G1/G2 = δg1/δg2 erfüllt ist,
wobei G1 den Verstärkungsfaktor
des Pufferverstärkers 31 wiedergibt
und G2 den Verstärkungsfaktor
des Pufferverstärkers 32 wiedergibt.
Gemäß dieser
Ausführungsform
wird das Verhältnis Rx/Ry
der Widerstandswerte Rx und Ry der jeweiligen variablen Widerstände 31t und 32t gemäß 1 δg1/δg2 gleichgesetzt. Hierzu werden
die Widerstandswerte der jeweiligen variablen Widerstände 31t und 32t durch
das Lasertrimmen gemäß 3 eingestellt.
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Für den Fall,
daß der
Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps in ein Kraftfahrzeug eingebaut
wird, entstehen die voranstehend beschriebenen unnötigen Beschleunigungskomponenten
aus Störvibrationen
aufgrund verschiedener Faktoren während der Fahrbedingungen des
Kraftfahrzeugs. Weiterhin gibt die Betriebsfrequenz F der Vibratoren 4a und 4b die
Frequenz eines erhaltenen Winkelgeschwindigkeitssignals. Insbesondere,
wenn die Betriebsfrequenz F nahe an den Frequenzen der Störvibrationen
ist, welche aus den Fahrbedingungen des Kraftfahr zeugs entstehen,
beispielsweise Frequenzen von Motorvibrationen und Radvibrationen,
sind die Winkelgeschwindigkeits-Signalwellenformen vollständig mit
diesen Störkomponenten
konfrontiert. Das verringert erheblich das S/N-Verhältnis im
Sensorausgang. Die Frequenzen der konstanten Störvibrationen liegen annähernd auf
dem Wert einiger 100 Hz, wobei die oben beschriebene Betriebsfrequenz
für gewöhnlich in
einem relativ höheren
Bereich von 2 kHz bis 10 kHz gesetzt wird.
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Gemäß den oben
beschriebenen Frequenzfestlegungen haben die unnötigen Beschleunigungskomponenten,
welche aus relativ niederfrequenten Störvibrationen entstehen, beispielsweise
Motorvibrationen und Reifenvibrationen, erheblich lange Perioden
im Vergleich zu denjenigen der Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenformen.
Infolgedessen können
diese unnötigen
Beschleunigungskomponenten als translierende Beschleunigungskomponenten
betrachtet werden. Die Wellenformen der 5 und 6 zeigen
den Fall dieser Art von Überlagerung
niederfrequenter Störungen.
Wenn die translatorische Beschleunigung in Y-Richtung konstant überlagert
wird, verschiebt die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
den Pegel ihres Vibrationsmittelpunktes um einen Betrag einer hinzuaddierten
translatorischen Beschleunigung. Weiterhin wirken diese translatorischen
Beschleunigungen relativ zu den beiden Vibratoren 4a und 4b (1) in gleiche Richtung,
welche die Schwingungen mit zueinander entgegengesetzten Phasen
bewirken. Infolgedessen ist die Verschiebungsrichtung des Vibrationsmittelpunktswertes
aufgrund der Überlagerung der
Beschleunigung in den Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenformen
der beiden Sensoreinheiten 100 und 200 die gleiche.
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Wie
unter Bezug auf die 5 und 6 erläutert, kann der Winkelgeschwindigkeitssensor
des Vibrationstyps gemäß dieser
Erfindung die verbleibenden niederfrequenten Störungen wirksam unterdrücken. Die
Störungen,
welche ausreichend niedere Frequenzen als die Frequenzwerte des
zu erfassenden Winkelgeschwindigkeitssignales haben (d. h. die Betriebsfrequenz
der Vibratoren) können
durch andere Verfahren erkannt werden. Auf ähnliche Weise können Störungen,
welche höheren
Frequenzen als der Frequenzwert des zu erfassenden Winkelgeschwindigkeitssignals
(d. h. Antriebsfrequenz der Vibratoren) angehören, beispielsweise harmonisches Rauschen,
durch andere Verfahren erkannt werden. Genauer gesagt, wenn die
voranstehend beschriebene Verstärkungsfaktoreinstellung
nicht zwischen den Sensoreinheiten durchgeführt wird, werden diese Arten
von niederfrequenten oder hochfrequenten Rauschkomponenten (d. h.
Rauschkomponenten mit Frequenzen unterschiedlich von der Antriebsfequenz der
Vibratoren; nachfolgend als "sensorausbandiges Rauschen" genannt) nicht gegeneinander
aufgehoben und verbleiben im Ausgang des Differenzverstärkungsschaltkreises 22.
Wie jedoch durch eine langkurz-gestrichelte Linie in 1 dargestellt, ist es bevorzugt,
einen Signalverarbeitungsabschnitt 45 vorzusehen, der selektiv
die sensorausbandigen Rauschkomponenten am Ausgang des Differenzverstärkungsschaltkreises 22 entfernt.
Bei dieser Ausführungsform
ist der Signalverarbeitungsabschnitt 45 ein synchroner
Erkennungsschaltkreis oder ein Bandpaßfilter. Um beispielsweise
diese Arten von sensorausbandigem Rauschen zu entfernen, kann ein
Tiefpaßfilter
verwendet werden, um hochfrequentes Rauschen zu entfernen oder ein
Hochpaßfilter kann
verwendet werden, um niederfrequentes Rauschen zu entfernen. Der
Signalverarbeitungsabschnitt 45 hat die Funktion der Entfernung
von anderen verschiedenen sensorausbandigem Rauschen, einschließlich Schaltrauschen,
Hintergrundrauschen aufgrund eines Wechselrichters oder dergleichen und
harmonisches Rauschen oder anderes Rauschen, welches aufgrund elektrischer
Faktoren neben dem Rauschen auftreten, wel che von mechanischen Vibrationen
herrühren.
Obgleich 1 den Signalverarbeitungsabschnitt 45 an
der Ausgangsstufe des Differenzverstärkungsschaltkreises 22 zeigt,
ist es möglich,
einen derartigen Signalverarbeitungsabschnitt zwischen Pufferverstärker 31 und
dem Differenzverstärkungsschaltkreis 22 vorzusehen
und auch einen anderen Signalverarbeitungsabschnitt zwischen dem
Pufferverstärker 32 und
dem Differenzverstärkungsschaltkreis 22.
-
Andererseits,
wenn das Kraftfahrzeug fährt, können Rauschvibrationen
mit Frequenzen relativ nahe an der Betriebsfrequenz der Winkelgeschwindigkeitssensoren
(nachfolgend als nahe Rauschvibration bezeichnet) auftreten. Diese
Ausführungsform definiert
die Rauschvibrationen als nahe Rauschvibrationen, wenn diese Rauschvibrationen
innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches mit einem Mittelpunkt
sind, der auf der Betriebsfrequenz F liegt und mit einer Breite
von ±50%
(insbesondere ±10%)
bezüglich
dieses Mittelpunktes ist. Der von dem Signalverarbeitungsabschnitt 45 abgedeckte
Frequenzbereich liegt außerhalb
dieses Frequenzbereichs. Wenn beispielsweise ein Kieselstein oder
ein anderes Hindernis von einem Reifen hochgeschleudert wird und
mit einem metallischen Chassis oder einer Karrosserie zusammenstößt, können plötzlich schrille
aktustische Geräusche
entstehen. Diese metallischen Aufschlaggeräusche haben Frequenzen nahe der
oben beschriebenen Sensorbetriebsfrequenz.
-
Weiterhin
haben die von der Reifenumdrehung verursachten Vibrationen relativ
niedrige Grundfrequenzen. Wenn ein Kraftfahrzeug auf einer rauhen
Fahrbahn fährt,
können
hochfrequente Komponenten entsprechend den Fahrbahnunebenheiten auf
das Winkelgeschwindigkeitssignal überlagern. Diese hochfrequenten
Komponenten sind ebenfalls nahe der Betriebsfrequenz. Weiterhin
hat der Fahr zeugkarrosserieaufbau eines Kraftfahrzeuges verschiedene
mechanische Resonanzmoden.
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Insbesondere
sind einige der charakteristischen Frequenzen von kompakten Einbauteilen,
beispielsweise Befestigungsteilen (Schrauben, Muttern etc.) Klammern
oder Halterungen nahe an der Betriebsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitssensors.
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In
diesem Fall ist die Überlagerung
der nahen Rauschvibrationen nicht so einfach wie die Wellenformverschiebung
der 5 und 6. Als ein Beispiel zeigt 11 die Amplitudenänderung,
die in den Ausgangswellenformen entsprechender Sensoreinheiten auftritt.
In diesem Fall erhöht
die nahe Rauschvibrationskomponente δg1 die Amplitude der Ausgangswellenform
der ersten Sensoreinheit 100, die in der ersten Phase vibriert,
wohingegen die nahe Rauschvibrationskomponente δg2 die Amplitude der Ausgangswellenform
der zweiten Sensoreinheit 200 verringert, welche in der
zweiten Phase vibriert (d. h. in der Phase entgegengesetzt zur ersten
Phase) oder umgekehrt. Nachfolgend wird die Überlagerung von nahen Rauschvibrationen
kurz erläutert.
-
Zunächst wird
nun angenommen, daß die Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente durch
die folgende Gleichung ausgedrückt
ist: S = A·sin(2πft – φ) (i)
-
Weiterhin
wird die nahe Rauschoszillationskomponente durch die folgende Gleichung
ausgedrückt. N = δg·sin(2πft – φn) (ii)
-
Wenn
die nahe Rauschvibrationskomponente (ii) der Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente
(i) überlagert
wird, kann die zusammengesetzte Wellenform S durch die folgende
Gleichung ausgedrückt
werden: S = As·sin(2πft – φs) (iii)wobei As
und φs
durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt sind: As = [A2 + δg2 – 2A·δg·cos(φn – φ)]1/2 (iv) φs = φ + Tan1–[{δg·sin(φn – φ)}/{A + δg·cos(φn – φ)} (v)
-
Da
die erste Sensoreinheit 100 und die zweite Sensoreinheit 200 in
entgegengesetztphasiger Beziehung sind, erfüllen die Phase φ in Gleichung
(i) und die Phase φ2
in der zweiten Sensoreinheit 200 die Beziehung φ2 = φ1 – π. Somit können unter
Berücksichtigung
der Gleichung (iv) die Amplituden der überlagerten Wellenformen S1
und S2 der jeweiligen Sensoreinheiten 100 und 200 durch
die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden: As1 = [A2 + δg2 – 2A·δg·cos(φn – φ1)]1/2 (vi) As2 = [A2 + δg2 – 2A·δg·cos(φn – φ1 + π)]1/2 = [A2 + δg2 – 2A·δg·cos(φn – φ1)]1/2 (vii)
-
6 zeigt den Fall, daß die Phase φn der nahen
Rauschvibration mit der Phase φ1 – π der Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskomponente
der zweiten Sensoreinheit 200 übereinstimmt. Die Gleichungen
(vi) und (vii) können
auf folgende Weise modifiziert werden: As1 = A + δg (vi)' As2 = A – δg (vii)'
-
Es
zeigt sich somit, daß die
nahe Rauschvibrationskomponente δg
die Funktion der Erhöhung der
Amplitude eines Sensorausgang und der Verringerung der Amplitude
des anderen Sensorausgangs hat.
-
Wie
sich aus den Gleichungen (vi)' und
(vii)' ergibt stimmen,
wenn beide Sensoreinheiten 100 und 200 so angeordnet
sind, daß sie
vollständige Äquivalenz
zeigen, die unnötige
Beschleunigungskomponente δg1
der ersten Sensoreinheit 100, entstanden aus der nahen
Rauschvibration vollständig
mit der unnötigen
Beschleunigungskomponente δg2
der zweiten Sensoreinheit 200, entstanden aus der nahen
Rauschvibration, überein,
wie in 6 gezeigt. Infolgedessen,
wenn eine Differenzamplitude zwischen den beiden Wellenformen als
As1 + As2 erhalten wird, werden die unnötigen Beschleunigungskomponenten δg1 und δg2 vollständig aufgehoben. Andererseits
ist es für
gewöhnlich
schwierig, diese nahen Rauschvibrationskomponenten über den
Filtervorgang zu entfernen, der von dem Signalverarbeitungsabschnitt 45 gemäß 1 durchgeführt wird.
Somit gibt es kein anderes Verfahren zur Aufhebung dieser nahen
Rauschvibrationskomponenten zwischen den Sensoreinheiten 100 und 200,
welche die zueinander entgegengesetzten Phasenschwingungen verursachen.
-
In
dem Fall jedoch, in dem die unnötigen
Beschleunigungskomponenten δg1
und δg2
nicht in Übereinstimmung
sind aufgrund des Einflusses der voranstehend beschriebenen Änderungen,
verbleibt eine Differenzialkomponente Δδg zwischen diesen Komponenten δg1 und δg2 gemäß 12 und kann durch ein herkömmliches
Verfahren unter Verwendung des Signalverarbeitungsabschnittes nicht
entfernt werden.
-
Diese
Erfindung ermöglicht
jedoch die Durchführung
der oben beschriebenen Verstärkungsfaktoreinstellung.
Ge nauer gesagt, wie in 13 gezeigt,
unterliegt wenigstens entweder die erste Sensoreinheit 100 oder
die zweite Sensoreinheit 200 der Amplitudeneinstellung
der Sensorausgangswellenform, welche als zusammengesetzter Ausgang
von der Winkelgeschwindigkeits-Oszillationskompnente und der nahen
Rauschvibrationskomponente erzeugt wird. Im Ergebnis kann eine relative Amplitudendifferenz
zwischen den nahen Rauschvibrationswellenformkomponenten beider
Sensoreinheiten verringert werden. Somit wird es möglich, nachteilige
Einflüsse
aufgrund der nahen Rauschvibrationswellenformkomponenten wirksam
zu unterdrücken
oder zu beseitigen, welche durch den Signalverarbeitungsabschnitt 45 (1) in dem Frequenzbereich
unter der Sensorbetriebsfrequenz F nicht entfernt werden können.
-
Nachfolgend
werden Winkelgeschwindigkeitssensoren mit modifizierten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Abschnitte oder Teile identisch zu dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 gemäß 1 sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen und werden nachfolgend nicht beschrieben.
-
Bei
einem Winkelgeschwindigkeitssensor 150 gemäß 7 ist der analoge Eingangsverstärkungsfaktoreinstellschaltkreis
so aufgebaut, daß wenigstens
einige der Verstärkungsfaktorbestimmungswiderstände 31t, 32t, 22c und 22d des
Differenzverstärkungsschaltkreises 22,
z. B. die Eingangsstufenwiderstände 31t und 32t bei
dieser Ausführungsform durch
variable Widerstände
gebildet sind (beispielsweise durch die lasertrimmbaren Widerstände von 3.
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Wenn
R1, R2, R3 und R4 die Widerstandswerte von vier Verstärkungsfaktorbestimmungswiderständen 31t, 22c, 32t und 22d darstellen,
erzeugt der Differenzverstärkungs schaltkreis 22 einen
Ausgang V, der im wesentlichen durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden
kann: V = –((R1 +
R2)/R1) × [{R2/(R1
+ R2) × J2 – {R4/(R3 +
R4)} × J1] (1)
-
Aus
dem obigen Ausdruck ergibt sich, daß ein gesamter Verstärkungsfaktor
durch (R1 + R2)/R1 ausgedrückt
wird und Gewichtungsfaktoren R2/(R1 + R2) und R4/(R3 + R4) werden
den jeweiligen Eingängen
J2 und J1 hinzuaddiert. Was die Gewichtungsfaktoren betrifft, so
versteht sich, daß die
Widerstandswerte R1 und R3 der variablen widerstände 31t und 32t unabhängig in
den jeweiligen Gewichtungsfaktoren enthalten sind. Mit anderen Worten, die
Eingangsverstärkungseinstellung
zur Aufhebung der richtigphasigen Komponenten ist möglich. Weiterhin
benötigt
diese Ausführungsform
keine Pufferverstärker
und somit ist der Schaltkreisaufbau sehr einfach.
-
In
dem Fall jedoch, daß die
Eingangsverstärkungseinstellung
durch Änderung
der Widerstandswerte R1 und R3 der Widerstände 31t und 32t durchgeführt wird,
können
sowohl der Gesamtverstärkungsfaktor
des Differenzverstärkungsschaltkreises 22 und
die Gewichtungsfaktoren der Eingänge
J2 und J1 gleichzeitig geändert
werden. In diesem Zusammenhang ist der Freiheitsgrad bei der Einstellung
im Vergleich zur Anordnung von 1 gering. Genauer
gesagt, die Einstellung muß so
durchgeführt
werden, daß kein
nachteiliger Einfluß auf
den Gesamtverstärkungsfaktor
des Differenzverstärkungsschaltkreises 22 ausgeübt wird.
Hierzu wird bei der Einstellung der Gewichtungsfaktoren (d. h. bei der
Einstellung des Eingangsverstärkungsfaktors, der
Widerstandswert R3 des Widerstandes 32t geändert, um
den Eingang J1 einzustellen, da eine Änderung des Widerstandswertes
R3 keinen Einfluß auf den
Gesamtverstärkungsfaktor
hat, wie sich aus Gleichung (1) ergibt. Wenn in diesem Fall der
variable Widerstand durch einen lasertrimmbaren Widerstand gebildet
wird, ergibt sich das folgende Problem. Wenn beispielsweise der
Beitrag der richtigphasigen Komponente im Eingang J2 groß im Gegensatz
zum Eingang J1 ist, muß der
Eingangsverstärkungsfaktor des
Eingangs J1 erhöht
werden. Wie sich aus Gleichung (1) ergibt, muß in diesem Fall der Widerstandswert
R3 erhöht
werden. Wie jedoch voranstehend beschrieben, ist es unmöglich, den
Widerstandswert des lasertrimmbaren Widerstandes zu verringern,
da eine Einstellung des lasertrimmbaren Widerstandes nur in Richtung
einer Erhöhung
des Widerstandswertes möglich
ist. Somit ist das Festsetzen eines hohen Eingangsverstärkungsfaktors
für den
Eingang J1 unmöglich,
ohne den gesamten Verstärkungsfaktor
zu ändern.
-
Andererseits,
bei der Anordnung von 1, ist,
wenn die beiden variablen Widerstände 31t und 32t beide
geändert
werden, der Verstärkungsfaktor des
Differenzverstärkungsschaltkreises 22 (entsprechend
dem Gesamtverstärkungsfaktor
der Anordnung von 7)
stets konstant. Somit unterliegt die Anordnung von 1 nicht den obigen Einschränkungen.
Weiterhin ist das Setzen eines hohen Eingangsverstärkungsfaktors
des Eingangs J1 relativ zum Verstärkungsfaktor des Eingangs J2
einfach.
-
Nachfolgend
können
in 1 zwei Sensoreinheiten 100 und 200 des
Vibrationstyps eine Differenz nicht nur in der richtigphasigen,
zu erkennenden Komponente, sondern auch in der Phase der Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenform
bewirken. Genauer gesagt, wenn die Resonanzcharakteristikfrequenz
der Vibratoren 4a und 4b in der Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsrichtung
Y zueinander unterschiedlich ist, ändert sich die Phase der Vibrationswellenform
abhängig
von der tatsächlichen
Frequenz des Vibrators, d. h. eine Differenz zwischen der Frequenz
F in der Standardvibrationsrichtung X und den oben beschriebenen
charakteristischen Frequenzen. Der Hauptfaktor, der die charakteristische Resonanzfrequenz
beeinflußt,
ist eine Variation im Elastizitätskoeffizienten
des Auslegers 2 bei der Anordnung von 1. Wenn zwei Winkelgeschwindigkeits-Sensierungswellenformen
in ihren Phasen unterschiedlich sind, können die Differenzialterme,
welche von einer derartigen Phasendifferenz herrühren, nicht aufgehoben werden,
selbst wenn die Eingangsverstärkungsfaktor-Einstellung
für den
Differenzverstärkungsschaltkreis 22 durchgeführt wird,
um den richtigphasigen Komponentenpegel einzustellen. Somit verschlechtert
sich die Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsgenauigkeit.
-
Angesichts
hiervon enthält
ein Winkelgeschwindigkeitssensor 151 von 8 Phaseneinstellschaltkreise (d. h. Phaseneinstellvorrichtungen) 35 und 36 zusätzlich zu
der Anordnung des Winkelgeschwindigkeitssensors 150 von 7. Der Phaseneinstellschaltkreis 35 stellt
die Phase der ersten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenform
J1 ein, welche in den Differenzverstärkungsschaltkreis 22 eingegeben
wird, wohingegen der Phaseneinstellschaltkreis 36 die Phase
der zweiten Winkelgeschwindigkeits-Sensierungsspannungswellenform
J2 einstellt, welche in den Differenzverstärkungsschaltkreis 22 eingegeben
wird. Selbst wenn somit eine Phasendifferenz zwischen den beiden Wellenformen
bewirkt wird, kann die Phaseneinstellung durchgeführt werden,
um die Phasendifferenz zu verringern, bevor die Differenzwellenform
erzeugt wird. Beispielsweise wird ein analoger Verzögerungseinstellschaltkreis
verwendet, um jeden Phaseneinstellschaltkreis zu bilden. Gemäß der Ausführungsform
von 8 sind ein Kondensator 35b und ein
Entladewiderstand 35a verbunden, um einen derartigen Verzögerungsschaltkreis
zu bilden. Der Entladewiderstand 35a ist ein variabler
Wi derstand. Die Verzögerungszeitkonstante
kann durch Änderung des
Widerstandswertes des Entladewiderstandes 35a eingestellt
werden. Die Phase der Wellenform kann ebenfalls geändert werden.
Weiterhin unterscheidet sich ein Winkelgeschwindigkeitssensor 152 von 9 von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 von 1 dahingehend, daß Phaseneinstellschaltkreise 35 und 36 an
den Eingangsstufen der jeweiligen Pufferverstärker 31 und 32 vorgesehen
sind.
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Weiterhin
kann die oben erläuterte
Schaltkreisanordnung des analogen Typs durch einen digitalen Schaltkreis
gemäß 10 ersetzt werden, in welchem
ein Winkelgeschwindigkeitssensor 153 A/D-Wandlerabschnitte 60 und 61,
einen DSP 62 (digitaler Signalprozessor) und einen D/A-Wandlerabschnitt 63 beinhaltet.
Die A/D-wandlerabschnitte 60 und 61 wandeln die
von den jeweiligen Ladungsverstärkern 20 und 21 gelieferten
analogen Ausgänge
in digitale Daten. Der DSP 62 führt die digitale Verarbeitung
durch, die für
die Verstärkungsfaktoreinstellung einer
jeden Eingangswellenform notwendig ist (oder eine Phaseneinstellung),
sowie für
die Wellenformdifferenz-Erkennung. Der D/A-Wandlerabschnitt 63 wandelt
den digitalen Ausgang vom DSP 62 in einen analogen Wert
und erzeugt einen analogen Ausgang. In diesem Fall wirkt der DSP 62 als
Differenzwellenform-Erkennungsvorrichtung, sowie als Eingangsverstärkungsfaktor-Einstellvorrichtung
(oder Phaseneinstellvorrichtung).