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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Quadraturbias-Kompensation
in einem Corioliskreisel sowie einen dafür geeigneten Corioliskreisel.
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Corioliskreisel
(auch Vibrationskreisel genannt) werden in zunehmendem Umfang zu
Navigationszwecken eingesetzt; sie weisen ein Massensystem auf,
das in Schwingungen versetzt wird. Jedes Massensystem hat in der
Regel eine Vielzahl von Schwingungsmoden, die zunächst voneinander
unabhängig
sind. Zum Betrieb des Corioliskreisels wird ein bestimmter Schwingungsmode
des Massensystems künstlich
angeregt, der im Folgenden als "Anregungsschwingung" bezeichnet wird.
Wenn der Corioliskreisel gedreht wird, treten Corioliskräfte auf,
die der Anregungsschwingung des Massensystems Energie entnehmen
und damit einen weiteren Schwingungsmode des Massensystems, der
im Folgenden als "Ausleseschwingung" bezeichnet wird, übertragen.
Um Drehungen des Corioliskreisels zu ermitteln, wird die Ausleseschwingung
abgegriffen und ein entsprechendes Auslesesignal daraufhin untersucht,
ob Änderungen
in der Amplitude der Ausleseschwingung, die ein Maß für die Drehung
des Corioliskreisels darstellen, aufgetreten sind. Corioliskreisel
können
sowohl als Open-Loop-System als auch als Closed-Loop-System realisiert
werden. In einem Closed-Loop-System wird über jeweilige Regelkreise die
Amplitude der Ausleseschwingung fortlaufend auf einen festen Wert – vorzugsweise
Null – rückgestellt,
und die Rückstellkräfte gemessen.
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Das
Massensystem des Corioliskreisels (das im Folgenden auch als "Resonator" bezeichnet wird) kann
hierbei unterschiedlichst ausgestaltet sein. Beispielsweise ist
es möglich,
ein einstückig
ausgebildetes Massensystem zu verwenden. Alternativ ist es möglich, das
Massensystem in zwei Schwinger aufzuteilen, die miteinander über ein
Federsystem gekoppelt sind und Relativbewegungen zueinander ausführen können. Beispielsweise
ist es bekannt, ein gekoppeltes System aus zwei linearen Schwingern
zu verwenden, das auch als lineares Doppelschwingersystem bezeichnet
wird. Verwendet man ein derartiges gekoppeltes System, so sind aufgrund
von Fertigungstoleranzen Fehlausrichtungen der beiden Schwinger
zueinander unvermeidlich. Die Fehlausrichtungen der beiden Schwinger
zueinander erzeugen einen Nullpunktfehleranteil im gemessenen Drehratensignal,
den sogenannten "Quadraturbias" (genauer gesagt:
einen Quadraturbias-Anteil).
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Aus
EP 1 359 391 A2 ist
ein Verfahren zur Quadraturbias-Kompensation in eine, Corioliskreisel
bekannt, wobei der Resonator des Corioliskreisels als gekoppeltes
System aus einem ersten und einem zweiten linearen Schwinger ausgestaltet
ist. Der zweite lineare Schwinger ist hierbei zweiseitig am ersten
linearen Schwinger befestigt, was impliziert, dass der Quadraturbias,
der aus einer gegenseitigen Fehlausrichtung von zweiten und ersten
linearen Schwinger resultiert, nur durch Verdrehen des zweiten linearen
Schwingers gegenüber
dem ersten linearen Schwinger kompensiert werden kann. Nachteilig
hierbei ist es, dass für
eine zuverlässige
Quadraturbias-Kompensation ein exakt punktsymmetrische Massenverteilung
des zweiten Resonators erforderlich ist, was aufgrund nicht zu Fertigungstoleranzen
schwierig ist.
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Aus
EP 1 253 399 A1 und
US 6,067,858 A sind
weitere Corioliskreisel bekannt, bei denen der zweite Schwinger
an den ersten Schwinger zweitseitig befestigt ist.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, ein Verfahren und
einen Corioliskreisel anzugeben, mit dem ein derartiger Quadraturbiasanteil
kompensiert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zur Quadraturbias-Kompensation
für einen Resonator
mit zwei linearen Schwingern gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Weiterhin stellt die Erfindung eine dafür geeignete Ausführungsform
eines Corioliskreisels gemäß Patentanspruch
5 bereit. Eine weitere geeignete Ausführungsform eines Corioliskreisels
findet sich in Patentanspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw.
Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in jeweiligen
Unteransprüchen.
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Um
ein besseres Verständnis
des technischen Hintergrunds des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bekommen,
sei in der folgenden Beschreibung nochmals kurz auf die physikalischen
Grundlagen eines Corioliskreisels anhand des Beispiels eines linearen
Doppelschwingersystems eingegangen.
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Die
Corioliskraft lässt
sich darstellen als: F → =
2mv →sxΩ → (1)
- F →
- Corioliskraft
- m
- Masse des Schwingers
- v →s
- Geschwindigkeit des
Schwingers
- Ω →
- Drehrate
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Ist
die auf die Corioliskraft reagierende Masse gleich der schwingenden
Masse und wird der Schwinger mit der Eigenfrequenz ω betrieben,
so gilt: 2mv →sxΩ → = ma →c (2)
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Für die Schwingergeschwindigkeit
gilt: v →s = v →s0sinωt (3)mit
- v →s0
- Schwingeramplitude
- ω
- Eigenfrequenz des
Schwingers
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Somit
gilt für
die Schwinger- und Coriolisbeschleunigungen: a →s = v →s0ωcosωt
a →c = 2v →s0sinωt × Ω (4)
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Damit
stehen die beiden Beschleunigungsvektoren räumlich senkrecht aufeinander
und sind in der Zeitfunktion um 90° gegeneinander versetzt (räumliche
und zeitliche Orthogonalität).
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Diese
beiden Kriterien können
benutzt werden, um die Schwingerbeschleunigung a →
s von
der Coriolisbeschleunigung a →
c zu trennen.
Das Verhältnis
der o. g. Beschleunigungsamplituden a
c und
a
s beträgt:
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Für eine Drehrate Ω = 5°/h und eine
Eigenfrequenz des Schwingers f
s = 10 KHz
ergibt sich:
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Für eine Genauigkeit
von 5°/h
dürfen
unerwünschte
Kopplungen des ersten Schwingers auf den zweiten Schwinger höchstens
7,7·10–10 betragen
oder auf diesem Wert konstant sein. Verwendet man ein Massensystem
aus zwei linearen Schwingern, die über Federelemente miteinander
gekoppelt sind, so ist die Genauigkeit der räumlichen Orthogonalität aufgrund
der Fehlausrichtung der Federelemente zwischen Schwing- und Messmode
begrenzt. Die erreichbare Genauigkeit (durch Fertigungstoleranzen
begrenzt) beträgt
10–3 bis
10–4. Die
Genauigkeit der zeitlichen Orthogonalität wird durch die Phasengenauigkeit
der Elektronik bei z. Bsp. 10 KHz begrenzt, die ebenfalls nur auf
höchstens
10–3 bis
10–4 einzuhalten
ist. Daraus folgt, dass das oben definierte Verhältnis der Beschleunigungen
nicht eingehalten werden kann.
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Realistisch
ergibt sich ein Fehler des gemessenen Beschleunigungsverhältnisses
a
c/a
s von
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Der
räumliche
Fehler resultiert in einem sogenannten Quadraturbias BQ,
der mit dem zeitlichen Phasenfehler Δφ einen
Bias B ergibt: BQ = 6,5·106°/h
bis 6,5·105°/h
Δφ =
10–3 bis
10–4
B
= BQ·Δφ =
6.500°/h
bis 65°/h (8)
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Somit
bewirkt der Quadraturbias eine starke Einschränkung der Messgenauigkeit.
Dabei ist anzumerken, dass o. g. Fehlerbetrachtung nur die direkte
Kopplung vom Schwing- in den Auslesemode berücksichtigt. Es existieren noch
weitere Quadraturbiasanteile, die beispielsweise durch Kopplungen
mit anderen Schwingungsmoden entstehen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Quadraturbias-Kompensation lässt
sich insbesondere auf Corioliskreisel anwenden, deren Resonatoren
als gekoppelte Systeme aus wenigstens einem ersten und einem zweiten
linearen Schwinger ausgestaltet sind, und weist die folgenden Schritte
auf:
- – Ermitteln
des Quadraturbias des Schwingersystems, und
- – Erzeugen
eines elektrostatischen Felds zur Änderung der gegenseitigen Ausrichtung
der beiden Schwinger zueinander, wobei die Ausrichtung/Stärke des
elektrostatischen Felds so geregelt wird, dass der ermittelte Quadraturbias
möglichst
klein wird.
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Hierbei
wird vorzugsweise der gesamte Quadraturbias des Schwingersystems
ermittelt. Dies erfolgt vorzugsweise durch Demodulation eines durch
Ausleseelektroden erzeugten Auslesesignals mit 0° und entsprechender Rückstellung.
Alternativ ist es möglich,
gezielt nur den Teil des Quadraturbias zu ermitteln, der durch die
Fehlausrichtung der beiden linearen Schwinger zueinander bewirkt
wird. Der Begriff " Quadraturbias" beinhaltet beide
Alternativen.
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Der
Quadraturbias wird also am Entstehungsort selbst eliminiert, d.
h. mechanische Fehlausrichtungen der beiden Schwinger zueinander
werden durch eine elektrostatische Kraft, die auf einen oder beide Schwinger
wirkt und durch das elektrostatische Feld erzeugt wird, kompensiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Corioliskreisel erste und zweite Federelemente auf, wobei
der erste Schwinger durch die ersten Federelemente mit einem Kreiselrahmen
des Corioliskreisels verbunden ist, und der zweite Schwinger durch
die zwei ten Federelemente mit dem ersten Schwinger verbunden ist.
Das elektrostatische Feld bewirkt hierbei eine Änderung der Ausrichtung der
ersten Federelemente und/oder eine Änderung der Ausrichtung der
zweiten Federelemente. Vorzugsweise wird die Ausrichtung der zweiten
Federelemente geändert,
indem die Position/Ausrichtung des zweiten Schwingers durch das
elektrostatische Feld geändert
wird. Analog hierzu wird die Ausrichtung der ersten Federelemente
vorzugsweise dadurch geändert,
dass die Position/Ausrichtung des ersten Schwingers durch das elektrostatische
Feld geändert
wird. Die Änderung
der Positionen/Ausrichtungen der Schwinger bewirken hierbei eine
Verbiegung der Federelemente, die an den Schwingern befestigt sind,
womit entsprechende Ausrichtungswinkel der ersten zu zweiten Federelementen
korrigiert werden können.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
werden durch das elektrische Feld die Ausrichtungswinkel der ersten
und zweiten Federelemente so geändert,
dass eine Orthogonalisierung der Ausrichtungen der ersten und zweiten
Federelemente zueinander bewirkt wird. Ist eine derartige Orthogonalisierung
erreicht, so ist der dadurch erzeugte Quadraturbias(anteil) kompensiert.
Bei weiteren Beiträgen
zum Quadraturbias wird der Fehlwinkel zur Orthogonalität so eingestellt,
dass der gesamte Quadraturbias verschwindet. Vorzugsweise werden
die Ausrichtungswinkel der zweiten Federelemente bezüglich des
ersten Schwingers durch das elektrostatische Feld geändert, und
die Ausrichtungswinkel der ersten Federelemente bezüglich des
Kreiselrahmens des Corioliskreisels nicht geändert. Es ist jedoch auch möglich, durch
das elektrostatische Feld lediglich die Ausrichtungswinkel der ersten
Federelemente zu ändern,
oder die Ausrichtungswinkel sowohl der ersten als auch der zweiten
Federelemente zu ändern.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
stellt ferner einen Corioliskreisel bereit, dessen Resonator als
gekoppeltes System aus wenigstens einem ersten und einem zweiten
linearen Schwinger ausgestaltet ist, und der
- – eine Einrichtung
zur Erzeugung eines elektrostatischen Felds, durch das die Ausrichtung
der beiden Schwinger zueinander änderbar
ist,
- – eine
Einrichtung zur Ermittlung eines Quadraturbias, der durch Fehlausrichtungen
der beiden Schwinger zueinander und weiteren Kopplungsmechanismen
verursacht wird, und
- – einen
Regelkreis aufweist, wobei der Regelkreis die Stärke des elektrostatischen Felds
in Abhängigkeit des
ermittelten Quadraturbias so regelt, dass der ermittelte Quadraturbias
möglichst
klein wird.
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Besteht
der Resonator aus einem ersten und einem zweiten linearen Schwinger,
so weist der Corioliskreisel vorzugsweise erste und zweite Federelemente
auf, wobei die ersten Federelemente den ersten Schwinger mit dem
Kreiselrahmen des Corioliskreisels verbinden, und die zweite Federelemente
den zweiten Schwinger mit dem ersten Schwinger verbinden. Die Ausrichtungen
der ersten und zweiten Federelemente verlaufen hierbei vorzugsweise
senkrecht zueinander. Die Federelemente können hierbei eine beliebige
Form aufweisen.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, den zweiten Schwinger am ersten
Schwinger "einseitig" zu befestigen bzw.
einzuspannen. "Einseitig
eingespannt" kann
hierbei sowohl wörtlich
als auch in einem allgemeinen Sinn verstanden werden. Allgemein
bedeutet "einseitig" befestigt bzw. eingespannt,
dass die Krafteinleitung von dem ersten Schwinger auf den zweiten
Schwinger im Wesentlichen von einer "Seite" des ersten Schwingers aus erfolgt.
Wäre der
Aufbau des Schwingersystems beispielsweise derart, dass der zweite
Schwinger durch den ersten Schwinger eingerahmt wird und mit diesem
durch zweite Federelemente verbunden ist, so würde einseitig eingespannt bzw.
befestigt folgendes implizieren: der zweite Schwinger wird der Bewegung des
ersten Schwingers nachgeführt,
indem der erste Schwinger den zweiten Schwinger mittels der zweiten
Federelemente abwechselnd "schiebt" oder "zieht". Ein einseitiges
Einspannen des zweiten Schwingers am ersten Schwinger hat den Vorteil,
dass bei Ausüben
einer elektrostatischen Kraft auf den zweiten Schwinger aufgrund
der dadurch resultierenden Ausrichtungs-/Positionsänderung des zweiten Schwingers
die zweiten Federelemente leicht verbogen werden können und
damit der entsprechende Ausrichtungswinkel der zweiten Federelemente
problemlos geändert
werden kann. Wäre
in diesem Beispiel der zweite Schwinger an zusätzlichen zweiten Federelementen
aufgehängt
derart, dass bei einer Bewegung des ersten Schwingers der zweite Schwinger
durch die zweiten Federelemente gleichzeitig "gezogen" und "geschoben" würde,
so läge
eine "zweiseitige" Einspannung bzw.
Befestigung des zweiten Schwingers an dem ersten Schwinger vor (Krafteinleitung
auf den zweiten Schwinger von zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten
Schwingers aus). In diesem Fall würden die zusätzlichen
zweiten Federelemente bei Anlegen eines elektrostatischen Felds
entsprechende Gegenkräfte
erzeugen, so dass Änderungen
der Ausrichtungswinkel der zweiten Federelemente nur schwer erzielbar
wären.
Eine zweiseitige Einspannung ist jedoch dann akzeptabel, wenn die
zusätzlichen zweiten
Federelemente so ausgelegt sind, dass der Einfluss dieser Federelemente
gering ist und somit auch hier eine problemlose Verbiegung aller
Federelemente erfolgen kann, also effektiv eine einseitige Einspannung vorliegt.
Je nach Auslegung der Schwingerstruktur kann effektiv bereits eine
einseitige Einspannung vorliegen, wenn der "Einfluss" (Krafteinleitung) der zusätzlichen
zweiten Federelemente 40% oder weniger beträgt. Dieser Wert stellt jedoch
keine Einschränkung
der Erfindung dar, es ist auch denkbar dass der Einfluss der zweiten Federelemente
mehr als 40% beträgt.
Eine einseitige Einspannung kann beispielsweise dadurch realisiert
werden, dass alle zweiten Federelemente, die den zweiten Schwinger
mit dem ersten Schwinger verbinden, parallel und in einer Ebene
zueinander angeordnet sind. Dabei sind alle Anfangs- und Endpunkte
der zweiten Federelemente jeweils an den gleichen Seiten des ersten
bzw. zweiten Schwingers befestigt. Die Anfangs- und Endpunkte der
zweiten Federelemente können
dabei vorteilhafterweise jeweils auf einer gemeinsamen Achse liegen,
wobei die Achsen die zweiten Federelemente im rechten Winkel schneiden.
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Ist
der zweite Schwinger einseitig am ersten Schwinger befestigt bzw.
eingespannt, so sind die ersten Federelemente vorzugsweise so ausgestaltet,
dass diese den ersten Schwinger am Kreiselrahmen zweiseitig einspannen
(die Begriffe "einseitig" und "zweiseitig" sind hier analog
zu verwenden). Alternativ hierzu ist es jedoch möglich, auch die ersten Federelemente
so auszugestalten, dass sie den ersten Schwinger einseitig einspannen.
Beispielsweise können
sämtliche
erste Federelemente, die den ersten Schwinger mit dem Kreiselrahmen
des Corioliskreisels verbinden, parallel und in einer Ebene zueinander
angeordnet sein, wobei vorzugsweise die Anfangs- und Endpunkte der
ersten Federelemente jeweils auf einer gemeinsamen Achse liegen.
Genauso ist es möglich,
die Federelemente so auszugestalten, dass der erste Schwinger am
Kreiselrahmen einseitig eingespannt ist, und der zweite Schwinger
durch den ersten Schwinger zweiseitig eingespannt wird. Auch ist
es möglich,
beide Schwinger zweiseitig einzuspannen. Für die Quadraturbiaskompensation
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenigstens einen der beiden
Schwinger einseitig einzuspannen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Corioliskreisels
weist einen ersten und einen zweiten Resonator auf, die jeweils
als gekoppeltes System aus einem ersten und einem zweiten linearen
Schwinger ausgestaltet sind, wobei der erste Resonator mit dem zweiten
Resonator mechanisch/elektrostatisch so verbunden/gekoppelt ist,
dass beide Resonatoren entlang einer gemeinsamen Schwingungsachse
gegentaktig zueinander in Schwingung versetzbar sind.
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Diese
Ausführungsform
weist demnach ein Massensystem auf, das aus zwei Doppelschwingersystemen
(d.h. aus zwei Resonatoren) bzw. aus vier linearen Schwingern besteht.
Das gegentaktige Schwingen der beiden Resonatoren zueinander bewirkt
hierbei, dass bei entsprechender Ausgestaltung der beiden Resonatoren
der Schwerpunkt des Massensystems erhalten bleibt. Dies hat zur
Folge, dass das Schwingen des Massensystems keine externen Vibrationen
erzeugen kann, die wiederum Störungen
in Form von Dämpfungen/Reflexionen
nach sich ziehen würden.
Weiterhin haben externe Vibrationen und Beschleunigungen in Richtung
der gemeinsamen Schwingungsachse keinen Einfluss auf die entlang der
gemeinsamen Schwingungsachse erfolgende gegentaktige Bewegung der
beiden Resonatoren.
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Die
Kopplung des ersten Resonators mit dem zweiten Resonator kann beispielsweise über ein
Federsystem erfolgen, das den ersten Resonator mit dem zweiten Resonator
verbindet. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, den ersten Resonator mit dem zweiten Resonator über ein
elektrostatisches Feld zu koppeln. Beide Kopplungen können allein
oder in Kombination eingesetzt werden. Es ist ausreichend, wenn
beide Resonatoren in einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind,
so dass die mechanische Kopplung durch eine mechanische Feder-Verbindung gegeben
ist, die durch das gemeinsame Substrat selbst gebildet wird.
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Auch
in dieser Ausführungsform
weist der Corioliskreisel vorteilhafterweise eine Einrichtung zur
Erzeugung von elektrostatischen Feldern, durch die die Ausrichtung
der linearen Schwinger zueinander veränderbar ist, eine Einrichtung
zur Ermittlung des Quadraturbias des Corioliskreisels, und Regelkreise,
durch die die Stärken
der elektrostatischen Felder so geregelt werden, dass der ermittelte
Quadraturbias möglichst
klein wird, auf.
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Die
Ausgestaltungen des ersten und des zweiten Resonators sind vorzugsweise
identisch. In diesem Fall sind die beiden Resonatoren in vorteilhafter
Weise achsensymmetrisch zueinander angeordnet bezüglich einer
Symmetrieachse, die senkrecht auf der gemeinsamen Schwingungsachse
steht, d. h. der erste Resonator wird durch die Symmetrieachse auf
den zweiten Resonator abgebildet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden
Figuren in beispielsweiser Ausführungsform
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen, aus zwei linearen Schwingern
bestehenden Massensystems mit entsprechenden Regelkreisen, die der
Anregung des ersten Schwingers dienen.
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2 eine
Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen, aus zwei linearen Schwingern
bestehenden Massensystems mit entsprechenden Mess- und Regelkreisen
für eine
Drehrate Ω und
einen Quadraturbias BQ sowie den Hilfsregelkreisen
zur Kompensation des Quadraturbias BQ.
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3 eine
Prinzipsksizze eines erfindungsgemäßen, aus vier linearen Schwingern
bstehenden Massensystems mit entsprechenden Mess- und Regelkreisen
für eine
Drehrate Ω und
einen Quadraturbias BQ sowie den Hilfsregelkreisen
zur Kompensation des Quadraturbias BQ.
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4 eine
Prinzipskizze einer bevorzugten Ausfürhrungsform des in 3 gezeigten
Regelmoduls.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau eines linearen Doppelschwingers 1 mit
entsprechenden Elektroden, sowie ein Blockschaltbild einer zugehörigen Auswerte-/Anregungselektronik 2.
Der lineare Doppelschwinger 1 wird vorzugsweise mittels Ätzprozessen
aus einer Siliziumscheibe hergestellt und weist einen ersten linearen
Schwinger 3, einen zweiten linearen Schwinger 4,
erste Federelemente 51 bis 54 , zweite Federelemente 61 und 62 sowie
Teile eines Zwischenrahmens 71 und 72 und eines Kreiselrahmens 73 und 74 auf.
Der zweite Schwinger 4 ist innerhalb des ersten Schwingers 3 schwingbar
gelagert und mit diesem über
die zweiten Federelemente 61 , 62 verbunden. Der erste Schwinger 3 ist
mit dem Kreiselrahmen 73 , 74 durch die ersten Federelemente 51 bis 54 und
dem Zwischenrahmen 71 , 72 verbunden.
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Weiterhin
sind erste Anregungselektroden 81 bis 84 , erste Ausleseelektroden 91 bis 94 ,
zweite Anregungselektroden 101 bis 104 sowie zweite Ausleseelektroden 111 und 112 vorgesehen.
Sämtliche
Elektroden sind mit dem Kreiselrahmen mechanisch verbunden, aber
elektrisch isoliert. Unter "Kreiselrahmen" wird eine mechanische,
nichtschwingende Struktur verstanden, in der die Schwinger "eingebettet" sind, beispielsweise der
nichtschwingende Teil der Siliziumscheibe.
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Wird
der erste Schwinger 3 mittels der ersten Anregungselektroden 81 bis 84 zu
einer Schwingung in X1-Richtung angeregt, so wird diese Bewegung
durch die zweiten Federelemente 61 , 62 auf den zweiten Schwinger 4 übertragen
(abwechselndes "Ziehen" und "Schieben"). Durch die vertikale
Ausrichtung der ersten Federelemente 51 bis 54 ist dem ersten Schwinger 3 eine
Bewegung in der X2-Richtung verwehrt. Eine vertikale Schwingung
kann jedoch aufgrund der horizontalen Ausrichtung der zweiten Federelemente 61 , 62 durch den
zweiten Schwinger 4 ausgeführt werden. Treten demnach
entsprechende Corioliskräfte
auf, so wird der zweite Schwinger 4 zu Schwingungen in
der X2-Richtung angeregt.
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Ein
von den ersten Ausleseelektroden 91 bis 94 ausgelesenes, der X1-Bewegung des
ersten Schwingers 3 proportionales Auslesesignal wird über entsprechende
Verstärkerelemente 21, 22,
und 23 einem Analog/Digital-Wandler 24 zugeführt. Ein
entsprechend digitalisiertes Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 24 wird
sowohl durch einen ersten Demodulator 25 und durch einen
zweiten Demodulator 26 in entsprechende Aus gangssignale
demoduliert, wobei die beiden Demodulatoren um 90° versetzt
zueinander arbeiten. Das Ausgangssignal des ersten Demodulators 25 wird
einem ersten Regler 27 zur Regelung der Frequenz der Anregungsschwingung
(Schwingung des Massensystems 1 in X1-Richtung) zugeführt, dessen
Ausgangssignal einen Frequenzgenerator 30 so steuert, dass
das nach dem Demodulator 25 auftretende Signal auf Null geregelt
wird. Analog hierzu wird das Ausgangssignal des zweiten Demodulators 26 auf
einen konstanten Wert geregelt, der von der Elektronikkomponente 29 vorgegeben
wird. Ein zweiter Regler 31 sorgt für die Regelung der Amplitude
der Anregungsschwingung. Die Ausgangssignale des Frequenzgenerators 30 und
des Amplitudenreglers 31 werden durch einen Multiplizierer 32 miteinander
multipliziert. Ein Ausgangssignal des Multiplizierers 32,
das der auf die ersten Anregungselektroden 81 bis 84 zu gebenden Kraft proportional ist,
beaufschlagt sowohl einen ersten Kraft-Spannungswandler 33 als
auch einen zweiten Kraft-Spannungswandler 34, die aus dem
digitalen Kraftsignal digitale Spannungssignale erzeugen. Die digitalen
Ausgangssignale der Kraft-Spannungswandler 33, 34 werden über einen
ersten und einen zweiten Digital/Analog-Wandler 35, 36 in entsprechende
analoge Spannungssignale umgesetzt, die dann auf die ersten Anregungselektroden 81 bis 84 gegeben
werden. Durch den ersten Regler 27 und den zweiten Regler 31 werden
die Frequenz der Eigenfrequenz des ersten Schwingers 3 nachgeführt und
die Amplitude der Anregungsschwingung auf einen bestimmten, vorgebbaren
Wert eingestellt.
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Treten
Corioliskräfte
auf, so wird die daraus resultierende Bewegung des zweiten Schwingers
4 in X2-Richtung
(Ausleseschwingung) durch die zweiten Ausleseelektroden
111 ,
112 erfasst
und ein der Bewegung der Ausleseschwingung in X2-Richtung proportionales
Auslesesignal über
entsprechende Verstärkerelemente
40,
41,
und
42 einem Analog/Digital-Umwandler
43 zugeführt (siehe
2).
Ein digitales Ausgangssignal des Analog/Digital-Umwandlers
43 wird
von einem dritten Demodulator
44 in Phase mit dem Direktbiassignal
demoduliert, und durch einen vierten Demodulator
45 um
90° versetzt
demoduliert. Ein entsprechendes Ausgangssignal des ersten Demodulators
44 beaufschlagt
einen dritten Regler
46, dessen Ausgangssignal ein Kompensationssignal
ist und der zu messenden Drehrate Ω entspricht. Ein Ausgangssignal
des vierten Demodulators
45 beaufschlagt einen vierten
Regler
47, dessen Ausgangssignal ein Kompensationssignal
ist und dem zu kompensierenden Quadraturbias proportional ist. Das
Ausgangssignal des dritten Reglers wird mittels eines ersten Modulators
48 moduliert,
analog hierzu wird das Ausgangssignal des vierten Reglers
47 durch einen
zweiten Modulator
49 moduliert, sodass amplitudengeregelte
Signale entstehen, deren Frequenz der Eigenfrequenz der Schwingung
in X1-Richtung (sin
0°, cos
90°) entsprechen.
Entsprechende Ausgangssignale der Modulatoren
48,
49 werden
in einer Addierstufe
50 addiert, deren Ausgangssignal sowohl
einem dritten Kraft-Spannungswandler
51 als auch einem
vierten Kraft-Spannungswandler
52 zugeführt wird.
Die entsprechenden Ausgangssignale der Kraft- Spannungswandler
51,
52 werden
Digital/Analog-Umwandlern
53,
54 zugeführt, wobei
deren analoge Ausgangssignale die zweiten Anregungselektroden
102 bis
103 beaufschlagen und
die Schwingungsamplituden des zweiten Schwingers
4 rückstellen.
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Das
durch die zweiten Anregungselektroden 101 und 104 erzeugte elektrostatische Feld (bzw.
die beiden durch die Elektrodenpaare 101 , 103 und 102 , 104 erzeugten elektrostatischen Felder)
bewirkt eine Ausrichtungs-/Positionsänderung des zweiten Schwingers 4 in
der X2-Richtung und damit eine Änderung
der Ausrichtungen der zweiten Federelemente 61 bis 62 . Der vierte Regler 47 regelt
das die zweiten Anregungselektroden 101 und 104 beaufschlagende Signal derart, dass
der Quadraturbias, der im Kompensationssignal des vierten Reglers 47 enthalten
ist, möglichst
klein wird bzw. verschwindet. Dazu werden ein fünfter Regler 55, ein
fünfter und
sechster Kraft-Spannungswandler 56, 57 und zwei
Analog/Digital-Umwandler 58, 59 eingesetzt.
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Das
Ausgangssignal des vierten Reglers 47, das ein Maß für den Quadraturbias
ist, wird dem fünften Regler 55 zugeführt, der
das durch die beiden Anregungselektroden 101 und 104 erzeugte elektrostatische Feld so
regelt, dass der Quadraturbias BQ verschwindet.
Dazu wird ein Ausgangssignal des fünften Reglers 55 jeweils
dem fünften
und sechsten Kraft-Spannungswandler 56, 57 zugeführt, die
aus dem digitalen Kraft-Ausgangssignal des fünften Reglers digitale Spannungssignale
erzeugen. Diese werden anschließend
in den Analog/Digital-Umwandlern 58, 59 in analoge
Spannungssignale umgewandelt. Das analoge Ausgangssignal des Analog/Digital-Umwandlers 58 wird
der zweiten Anregungselektrode 101 oder
alternativ 111 zugeführt. Das analoge
Ausgangssignal des Analog/Digital-Umwandlers 59 wird der
zweiten Anregungselektrode 104 oder
alternativ 112 zugeführt.
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Da
die Einspannung des zweiten Schwingers 4 lediglich durch
die zweiten Federelemente 61 bis 62 bewirkt wird (einseitige Einspannung),
kann die Ausrichtung dieser Federelemente durch das elektrostatische Feld
problemlos geändert
werden. Weiterhin ist es möglich,
zusätzliche
zweite Federelemente vorzusehen, die eine zweiseitige Einspannung
des zweiten Schwingers 4 bewirken, solange durch entsprechende
Auslegung dieser zusätzlichen
Federelemente sichergestellt ist, dass effektiv eine einseitige
Einspannung erzielt wird. Um denselben Effekt auch für die Federelemente 51 , 52 bzw.
die Federelemente 53 , 54 zu ermöglichen, können das dritte und vierte
Federelement 53 , 54 bzw.
das erste und zweite Federelement 51 , 52 weggelassen werden und damit (zusammen
mit einer hier nicht gezeigten, entsprechend geänderten Elektrodenkonfiguration)
eine einseitige Einspannung des ersten Schwingers 3 bewirkt
werden. In einem derartigen Fall könnte der zweite Schwinger 4 auch
mit weiteren Federelementen am ersten Schwinger befestigt werden,
um eine zweiseitige Einspannung zu erzielen.
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Die
in den 1 und 2 gezeigten Elektrodenanordnungen
können
variiert werden. Beispielsweise können die in 1 und 2 mit
dem Bezugszeichen 81 , 91 , 92 , 82 sowie 83 , 93 , 94 , 84 gekennzeichneten Elektroden alternativ
jeweils zu einer Elektrode zusammengefasst werden. Durch Verwendung
geeigneter Trägerfrequenzverfahren
können
einer so zusammengefassten Elektrode mehrere Aufgaben zugeordnet
werden, d. h. die Elektrode hat gleichzeitig Auslese-, Enegungs-
und Kompensationsfunktion. Auch die mit dem Bezugszeichen 111 , 101 , 103 sowie 112 , 102 und 104 gekennzeichneten
Elektroden können
alternativ zu jeweils einer Elektrode zusammengefasst werden.
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In
der folgenden Beschreibung soll unter Bezugnahme auf 3 eine
weitere mögliche
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Corioliskreisels
sowie dessen Funktionsweise näher
beschrieben werden.
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3 zeigt
den schematischen Aufbau eines gekoppelten Systems 1' aus einem ersten
Resonator 701 und einem zweiten
Resonator 702 . Der erste Resonator 701 ist mit dem zweiten Resonator 702 über
ein mechanischen Kopplungselement 71, eine Feder, gekoppelt.
Der erste und der zweite Resonator 701 , 702 sind in einem gemeinsamen Substrat
ausgebildet und können
entlang einer gemeinsamen Schwingungsachse 72 gegentaktig
zueinander in Schwingung versetzt werden. Der erste und der zweite
Resonator 701 , 702 sind
identisch und werden über
eine Symmetrieachse 73 aufeinander abgebildet. Der Aufbau
des ersten und des zweiten Resonators 701 , 702 wurde bereits im Zusammenhang mit 1 und 2 erläutert und
wird deshalb nicht nochmals erklärt;
identische bzw. einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen
sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet, wobei identische
Bauteile, die unterschiedlichen Resonatoren angehören, mit unterschiedlichen
Indices gekennzeichnet sind.
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Ein
wesentlicher Unterschied zwischen den in 3 gezeigten
Doppelschwingern und den in 1 und 2 gezeigten
Doppelschwingern ist, dass einige der Einzelelektroden konstruktiv
zu einer Gesamtelektrode zusammengefasst werden. So bilden beispielsweise
die mit den Bezugsziffern 81 , 82 , 91 und 92 gekennzeichneten Einzelelektroden
in 3 eine gemeinsame Elektrode. Weiterhin bilden
die mit den Bezugsziffern 83 , 84 , 93 und 94 gekennzeichneten Einzelelektroden
eine gemeinsame Elektrode, und die mit den Bezugsziffern 104 , 102 , 112 sowie den Bezugsziffern 111 , 103 und 101 jeweils eine Gesamtelektrode. Das
Gleiche gilt analog für
das andere Doppelschwingersystem.
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Bei
Betrieb des erfindungsgemäßen gekoppelten
Systems 1' schwingen
die beiden Resonatoren 701 , 702 entlang der gemeinsamen Schwingungsachse 72 im
Gegentakt. Damit ist das gekoppelte System 1' unempfindlich gegenüber externen
Störungen
bzw. gegen über
Störungen,
die durch das gekoppelte System 1' selbst in das Substrat, in dem
die Resonatoren 701 und 702 gelagert sind, abgegeben werden.
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Wenn
das gekoppelte System 1' gedreht
wird, so werden die zweiten Schwinger 41 und 42 in zueinander entgegengesetzte Richtungen
ausgelenkt (in X2-Richtung und entgegengesetzt zur X2-Richtung).
Tritt eine Beschleunigung des gekoppelten Systems 1' auf, so werden
die zweiten Schwinger 41 , 42 jeweils in die gleiche Richtung, nämlich in
Richtung der Beschleunigung, ausgelenkt, insofern diese in oder
entgegengesetzt der X2-Richtung wirkt. Somit lassen sich gleichzeitig
oder wahlweise Beschleunigungen und Drehungen messen.
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Prinzipiell
ist es möglich,
das gekoppelte System 1' auf
Basis der in 1 und 2 beschriebenen Auswerte-/Anregungselektronik 2 zu
betreiben. In der in 3 gezeigten Ausführungsform
wird jedoch stattdessen ein alternatives Verfahren (Trägerfrequenzverfahren)
eingesetzt. Dieses Betriebsverfahren soll im Folgenden beschrieben
werden.
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Die
mit Bezugsziffer 2' gekennzeichnete
Auswerte-/Anregungselektronik 2 weist drei Regelkreise
auf: Einen ersten Regelkreis zur Anregung bzw. Regelung einer Gegentaktschwingung
der ersten Schwinger 31 und 32 entlang der gemeinsamen Schwingungsachse 72,
einen zweiten Regelkreis zur Rückstellung
und Kompensation der Schwingungen des zweiten Schwingers 41 entlang der X2-Richtung, und einen
Regelkreis zur Rückstellung
und Kompensation der Schwingungen des zweiten Schwingers 42 entlang der X2-Richtung. Die beschriebenen drei Regelkreise
weisen einen Verstärker 60,
einen Analog/Digital-Umwandler 61, ein Signaltrennungsmodul 62,
ein erstes bis drittes Demodulationsmodul 631 bis 633 , ein Regelmodul 64, ein Elektrodenspannungs-Berechnungsmodul 65,
ein Trägerfrequenz-Additionsmodul 67,
sowie einen ersten bis sechsten Digital/Analog-Umwandler 661 bis 666 auf.
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Die
Beaufschlagung der Elektroden 81 bis 88 , 91 bis 98 , 101 bis 108 sowie 111 bis 114 mit Trägerfrequenzen zum Abgriff/Erregung
(Abgriffserregung) der Gegentaktschwingung der Schwingungen der
zweiten Schwinger 41 , 42 kann hierbei auf mehrerlei Art und
Weise erfolgen: a) Unter Verwendung von drei unterschiedlichen Frequenzen,
wobei jedem Regelkreis eine Frequenz zugeordnet ist, b) unter Verwendung
von Rechtecksignalen im Zeitmultiplex-Verfahren, oder c) unter Verwendung
einer Random-Phasen-Verwürfelung
(stochastisches Modulationsverfahren). Die Beaufschlagung der Elektroden 81 bis 88 , 91 bis 98 , 101 bis 108 sowie 111 bis 114 erfolgt über die
zusammengehörigen
Signale UyAo, UyAu (für
den zweiten Schwinger 41 ) und Uxl, Uxr
(für die
Gegentaktresonanz von den ersten Schwingern 31 zu 32 ), sowie UyBu, und UyBo (für den zweiten Schwinger 42 ), die in dem Trägerfrequenz-Additionsmodul 67 erzeugt
und im Gegentakt mit o.g. Frequenzsignalen erregt werden. Der Abgriff
der Schwingungen der ersten und zweiten Schwinger 31 , 32 , 41 und 42 erfolgt über die mit Bezugsziffern 77 , 79 , 711 und 713 gekennzeichneten
Teile des Kreiselrahmens, die hier neben ihrer Funktion als Aufhängepunkte
des Massensystems zusätzlich
als Abgriffselektroden dienen. Dazu sind die beiden Resonatoren 701 , 702 mit
allen Rahmen-, Feder- und Verbindungselementen vorteilhafterweise
elektrisch leitend ausgestaltet. Das durch die Kreiselrahmen-Teile 77 , 79 , 711 und 713 abgegriffene,
dem Verstärker 60 zugeführte Signal
enthält
Information über
alle drei Schwingungsmoden und wird durch den Analog/Digital-Umwandler 61 in
ein digitales Signal umgewandelt, das dem Signaltrennungsmodul 62 zugeführt wird.
In dem Signaltrennungsmodul 62 wird das zusammengesetzte
Signal in drei unterschiedliche Signale getrennt: x (enthält Information über die
Gegentaktschwingung), yA (enthält
Information über
die Auslenkung des zweiten Schwingers 41 ),
sowie yB (enthält
Information über
die Auslenkung des zweiten Schwingers 42 ).
Die Signaltrennung gestaltet sich je nach Typ des verwendeten Trägerfrequenzverfahrens
(siehe oben a) bis c)) unterschiedlich. Die Signaltrennung erfolgt
hierbei durch Demodulation mit dem entsprechenden Signal des verwendeten
Trägerfrequenzverfahrens.
Die Signale x, yA, sowie yB werden den Demodulationsmodulen 631 bis 633 zugeführt, die
diese mit einer Arbeitsfrequenz der Gegentaktschwingung für 0° und 90° demodulieren.
Das Regelmodul 64 sowie das Elektrodenspannungs-Berechnungsmodul 65 zur
Regelung/Berechnung der Signale Fxl/r bzw. Uxl/r sind vorzugsweise
analog zu dem in 1 gezeigten Elekronikmodul 2 ausgestaltet.
Das Regelmodul 64 sowie das Elektrodenspannungs-Berechnungsmodul 65 zur
Regelung/Berechnung der Signale FyAo/u, UyAo/u, sowie FyBo/u, UyBo/u
sind vorzugsweise analog zu dem in 2 gezeigten
Elekronikmodul 2 ausgestaltet; nur die Signale für die Rückstellung
der Drehrate und der Quadratur nach der Multiplikation mit der Arbeitsfrequenz
werden zusammen mit den DC-Spannungen für den Quadratur-Hilfsregler
auf ein zusammengefaßtes
Elektrodenpaar gegeben. Deshalb werden beide Signale addiert, so
dass die Berechnung der Elekrodenspannungen die Rückstellsignale
der Schwingfrequenz und das DC-Signal für die Quadraturregelung sowie
die Frequenzabstimmung enthält.
Die so berechneten Elektrodenspannungen Uxl/r, UyAo/u und UyBo/u
werden dann zu den Trägerfrequenz-Signalen
addiert und gemeinsam über
die Analog/Digital-Umwandler 661 bis 666 auf die Elektroden gegeben.
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4 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
des mit Bezugsziffer 64 gekennzeichneten Regelsystems aus 3.
Das Regelsystem 64 weist einen ersten bis dritten Teil 641 bis 643 auf.
Der erste Teil 641 weist einen
ersten Regler 80, einen Frequenzgenerator 81,
einen zweiten Regler 82, eine Elektronikkomponente 83, eine
Addierstufe 84, und einen Multiplizierer 85 auf.
Die Funktionsweise des ersten Teils entspricht im Wesentlichen der
Funktionsweise des in 1 gezeigten Elektronikmoduls 2 und
wird deshalb hier nicht nochmals erläutert. Der zweite Teil 642 weist einen ersten Regler 90,
einen ersten Modulator 91, einen zweiten Regler 92,
einen zweiten Modulator 93 und einen dritten Regler 94 auf.
Ferner sind eine erste und eine zweite Addierstufe 95, 96 vorgesehen.
Am Ausgang des ersten Reglers 90 kann ein Drehratensignal Ω, und am
Ausgang des dritten Reglers 94 kann ein zusammengesetztes
Signal aus der Kompensation des Quadraturbias BQ1 und einer
Beschleunigung A ermittelt werden. Der dritte Teil 643 des Regelsystems 64 weist
einen ersten Regler 100, einen ersten Modulator 101,
einen zweiten Regler 102, einen zweiten Modulator 103 und
einen dritten Regler 104 auf. Weiterhin sind eine erste
und eine zweite Addierstufe 105, 106 vorgesehen.
Am Ausgang des ersten Reglers 100 kann ein Drehratensignal Ω mit negativem
Vorzeichen abgegriffen werden, und am Ausgang des dritten Reglers 104 ein
zusammengesetzten Signal aus der Kompensation des Quadraturbias
BQ2 mit negativem Vorzeichen und einem Beschleunigungssignal
A. Die Funktionsweise des zweiten und dritten Teils 642 und 643 entspricht
der des in 2 gezeigten Elektronikmoduls 2 und
wird deshalb hier nicht nochmals erläutert.
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Die
oben beschriebenen Trägerfrequenzverfahren
mit Gegentakterregung haben den Vorteil, dass an dem Verstärker 60 nur
dann ein Signal anliegt, wenn die linearen Schwinger 31 , 32 sowie 41 und 42 ausgelenkt sind.
Die zur Erregung dienenden Frequenzsignale können diskrete Frequenzen oder
rechteckige Signale sein. Wegen der leichteren Erzeugung und Verarbeitung
werden Rechteckerregungen bevorzugt.
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Lineare
Doppelschwinger zeichnen sich durch besonders hohe Güte wegen
der linearen Bewegung in der Waferebene aus. Die Kompensation des
Quadraturbias bei linearen Resonatoren, bei denen mindestens ein
Schwinger einseitig eingespannt ist, lässt sich erfindungsgemäß global
durch Justieren der Orthogonalität der
Federn erreichen. Das wird dadurch erzielt, dass die Feder des einseitig
eingespannten Schwingers über eine
Gleichspannung im Winkel so verändert
wird, dass der gemessene Quadraturbias BQ Null
wird. Dazu wird, wie oben gezeigt, ein entsprechender Regelkreis
aufgeschaltet, der die o. g. Gleichspannung so regelt, dass BQ = 0 wird. Durch diesen Regelkreis wird
der Quadraturbias am Entstehungsort kompensiert und die Genauigkeit
von linearen Schwingkreiseln um Größenordnungen verbessert.
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Die
linearen Schwinger eines Resonators werden vorzugsweise jeweils
in Doppelresonanz betrieben.
90°) entsprechen. Entsprechende Ausgangssignale der Modulatoren