DE19605648B4

DE19605648B4 - Piezoelektrisch schwingende gyrometrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE19605648B4
Application number: DE19605648A
Authority: DE
Inventors: Pierre Leger; Alain Jeanroy
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2016-02-16
Also published as: GB2310284B; FR2723635A1; GB2310284A; FR2723635B1; DE19605648A1; GB9602876D0

Abstract

Gyrometrische Vorrichtung mit einem schwingenden Detektororgan in Form einer im wesentlichen ebenen und kreisförmigen Platte, welche zum größten Teil aus piezoelektrischem Material besteht und an ihrer Oberfläche sowohl Elektroden zur Anregung der Platte in Resonanz als auch Elektroden zur Erfassung von Schwingungen der Platte aufweist, wobei die Elektroden zur Anregung gleichmäßig um die Achse der Platte verteilt sind und die Elektroden zur Erfassung von Schwingungen in derselben Ebene wie die Elektroden zur Anregung liegen und derart angeordnet sind, daß sie die Spannungen erfassen, welche durch das durch die Elektroden zur Anregung verursachte treibende Feld und, bei Drehung der Platte um ihre durch die Achse der Scheibe gebildete empfindliche Achse, durch das Coriolis-Feld hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zur Anregung der Platte in Resonanz eine zur Erzeugung einer Radialkeulen-Schwingung der Ordnung 4 bestimmte Geometrie aufweisen, d.h. dass wenigstens jeweils acht Elektroden zur Anregung der Platte und zur Erfassung von...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft gyrometrische Vorrichtungen, d.h. Vorrichtungen, welche dazu bestimmt sind, eine Drehgeschwindigkeit oder einen Drehwinkel um eine hierfür empfindliche Achse zu messen. Sie betrifft insbesondere gyrometrische Vorrichtungen des Typs, welcher ein schwingendes Detektororgan in Form einer im wesentlichen ebenen und kreisförmigen Platte umfaßt, welche zum größten Teil aus piezoelektrischem Material besteht und an ihrer Oberfläche sowohl Elektroden zur Anregung der Platte in Resonanz als auch Elektroden zur Erfassung von Schwingungen der Platte aufweist, wobei die Elektroden zur Anregung gleichmäßig um die Achse der Platte verteilt sind und die Elektroden zur Erfassung von Schwingungen in derselben Ebene wie die Elektroden zur Anregung liegen und derart angeordnet sind, daß sie die Spannungen bzw. Dehnungsbelastungen erfassen, welche durch das durch die Elektroden zur Anregung verursachte treibende Feld und, bei Drehung der Platte um ihre durch die Achse der Scheibe gebildete empfindliche Achse, durch das Coriolis-Feld hervorgerufen werden.
Das Detektororgan einer derartigen Vorrichtung bildet einen Resonator, dessen Schwingungsfeld sich unter der Wirkung einer Drehung um die Achse mit einer Geschwindigkeit dreht, welche von der Geometrie des Resonators abhängt und welche im all- gemeinen von der auf den Resonator ausgeübten Geschwindigkeit verschieden ist.
Je nach Ausbildung eines mit Elektroden verbundenen Schaltkreises zur Anregung und zur Erfassung, kann die Vorrichtung entweder ein Gyrometer oder ein Gyroskop darstellen. Im ersten Fall müssen die Elektroden zur Anregung das anfängliche Schwingungsfeld entlang einer gegenüber dem Resonator festen Richtung aufrecht erhalten. Unter der Wirkung einer Drehgeschwindigkeit beobachtet man eine Verlagerung der Schwingung, welche man als durch die Überlagerung des treibenden Feldes mit einem gleichartigen, jedoch winkelverlagerten Feld bedingt betrachten kann. In dem zweiten Fall, für eine Arbeitsweise als Gyroskop, ist der Versorgungsschaltkreis dazu vorgesehen, daß das treibende Feld der Drehung der Schwingung relativ zum Resonator folgt, ohne es zu stören.
Es sind schon zahlreiche Gyrometer der oben beschriebenen Art bekannt. Sie verwenden prinzipiell die eine oder die andere von zwei Schwingungsarten, wobei man die eine als Radialschwingungsmode oder als Radialkeulen-Schwingungsmode und die andere als Tangentialkeulen-Schwingungsmode qualifizieren kann. Bei jeder Art gibt es aufeinanderfolgende Schwingungsordnungen, welche jeweils durch eine Ordnungszahl gekennzeichnet sind, die die Zahl der Schwingungs-Raumperioden über 360° darstellt.

Es wurde insbesondere schon ein Gyrometer vorgeschlagen, welches Radialkeulen-Schwingungen der Ordnung 2 verwendet. Ein derartiges Gyrometer ist in dem Artikel "The theory of a piezo-electric disk gyroscope" von J.S. Burdess und Mitarbeitern, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-22, Nr. 4, July 1986, Seite 410 beschrieben.

Die 1 zeigt mit einer zur Verdeutlichung sehr überzeichneten Amplitude die von der Platte eines derartigen Gyrometers bei ihrer Schwingung in Resonanz unter Abwesenheit einer Drehgeschwindigkeit ausgeführten Deformationen. Das Detektororgan ist durch eine Platte 12 aus piezoelektrischem Material mit kreisförmigem Querschnitt gebildet, welche in ihrem Zentrum mit der Struktur, deren Drehung zu messen ist, verbunden ist. Die Platte 12 ist auf ihrer Rückseite mit einer dünnen Schicht aus leitfähigem Material überzogen, welche durchgehend sein kann, wodurch sie einfach realisierbar ist. Elektroden zur Anregung E_M sind entlang einer Achse X angeord net und werden mit einem Signal gespeist, welches von einem Verstärker-Oszillator-Schaltkreis 13 aus einem an entlang der zu X orthogonalen Achse Y ausgerichteten Elektroden zur Erfassung D_M abgegriffenen Signal erstellt wird. Die Messung wird ausgeführt, indem ein Signal an Elektroden zur Erfassung D_C abgegriffen wird, welche entlang einer unter 45° zu den Achsen X und Y orientierten Achse A ausgerichtet sind. Ein Differentialverstärker 14 liefert das Ausgangssignal S_C.

Gyrometrische Vorrichtungen, welche eine Schwingung in der Radialmode der Ordnung 2 nutzen, sind ebenfalls aus den Dokumenten EP 0 175 508 , GB 2 154 739 , EP 0 153 189 und FR 2 684 759 bekannt.

Ein derartiges Gyrometer weist Nachteile auf. Ein erster Nachteil ist der, daß die Schwingung in der Radialmode der Ordnung 2 dazu neigt, wesentliche Verlagerungen in der Nähe des Zentrums hervorzurufen. Die Befestigung der Platte verändert die Schwingung der Scheibe und vermindert die Empfindlichkeit. Jeder Fehler in der Homogenität verursacht Symmetriefehler. Außerdem ist das Gyrometer gering empfindlich, da das in dem piezoelektrischen Material erzeugte Spannungsfeld bzw. Dehnungsbelastungsfeld, unabhängig davon, welche Geometrie den Elektroden gegeben wird, sehr wenig Strom erzeugt.

Einige dieser Nachteile sind in dem in dem Dokument FR-A-2 684 759 (Patentanmeldung FR 91 15 096 der Anmelderin) beschriebenen Gyrometer mit zwei Tangentialkeulen behoben. Die Elektroden und der Anregungsschaltkreis dieses Gyrometers sind derart ausgelegt, daß eine Schwingung in der Tangentialmode der Ordnung 2 hervorgerufen wird. Diese Mode führt jedoch noch zu wesentlichen Verlagerungen in der Nähe des Zentrums, so daß die zentrale Befestigung die Funktion nennenswert stört.

Die in der Nähe des Zentrums der Scheibe hervorgerufenen Verlagerungen verringern sich in dem Maß, in dem die Ordnung zunimmt, und man erkannte, daß sie ab der Ordnung 4 praktisch vernachlässigbar werden. Eine Schwingungsanregung oberhalb der Mode 4 würde ein sehr kompliziertes Netz von Elektroden benötigen und zu einer hohen Resonanzfrequenz und einer geringen Empfindlichkeit führen. Elektrodenanordnungen zum Erzeugen einer Radialmode der Ordnung 4 sind beispielsweise aus den Dokumenten EP 0 609 929 und WO 85/04019 bekannt.

Die Erfindung schlägt folglich eine gyrometrische Vorrichtung der oben angegebenen Art vor, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Elektroden zur Anregung der Platte in Resonanz eine zur Erzeugung einer Radialkeulen-Schwingung der Ordnung 4 bestimmte Geometrie aufweisen, d.h. dass wenigstens jeweils acht Elektroden zur Anregung der Platte und zur Erfassung von Schwingungen vorgesehen sind, wobei die Elektroden zur Erfassung von Schwingungen jeweils in Umfangsrichtung der Platte zwischen zwei Elektroden zur Anregung der Platte vorgesehen sind, und die Elektroden zur Anregung der Platte mit einem Versorgungsschaltkreis verbunden sind, welcher dazu vorgesehen ist, eine Radialkeulen-Resonanz durch Begrenzung der Frequenz des Schaltkreises auf einen Grenzwert zu erzeugen, welcher unterhalb der Resonanzfrequenz der Platte in der Tangentialmode der Ordnung 4 liegt.

Der durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung gegebene Vorteil wird deutlich, wenn man die Werte des Verhältnisses zwischen der maximalen Verlagerung an der Oberfläche der Scheibe bei Resonanz und der mittleren Verlagerung an einem Innenumfang der gegenwärtigen Befestigung betrachtet. Man erkannte, daß dieses Verhältnis bei Scheiben, welche für gyrometrische Miniaturvorrichtungen bestimmt sind, für die Moden der Ordnung 2 unterhalb von 2 und für Moden der Ordnung 4 um etwa 18 liegt. Die Verwendung der Radialmode der Ordnung 4, welche im folgenden der Einfachheit halber als 4R bezeichnet wird, führt zu einer Resonanzfrequenz, welche relativ nahe bei der Grundfrequenz der Scheibe in Kontraktion und Expansion bleibt und welche weit unterhalb der Resonanzfrequenz der 4T-Mode liegt.

Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsformen der Erfindung, welche als nicht eingrenzende Beispiele angegeben sind, und des darin angegebenen Vergleichs mit bekannten Gyrometern besser verstanden werden.

Die Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
1, wie schon erwähnt, ein Prinzipdiagramm ist, welches eine mögliche Anordnung der Elektroden zur Anregung- und zur Erfassung auf der schwingenden Platte eines in der 2R-Mode arbeitenden Gyrometers gemäß des Stands der Technik zeigt,
2 das Verhältnis zwischen den Frequenzen der verschiedenen Schwingungsmoden und der Frequenz f_O der Grund-Radialmode (die Scheibe deformiert sich unter Beibehaltung der kreisförmigen Form) zeigt,
3 eine mögliche Verteilung der Elektroden zur Anregung und der Elektroden zur Erfassung auf der Platte aus piezoelektrischem Material eines Gyrometers gemäß der Erfindung zeigt,
4 ein Diagramm ist, welches die Richtungen und Relativamplitude der Verlagerungen einer in der 4R-Mode resonanten freien Scheibe mit einer zentralen Öffnung unter Abwesenheit von Drehung zeigt,
5 eine mögliche Befestigungsart des Resonators zeigt,
6 einen möglichen Aufbau eines Anregungs- und Erfassungsschaltkreises zeigt, welcher der Elektrodenanordnung der 3 zugeordnet werden kann,
7 einen elektronischen Schaltkreis zeigt, welcher in Verbindung mit Elektroden der 3 verwendet werden kann, um eine Arbeitsweise als Gyroskop zu erreichen.
Bevor die gyrometrische Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben wird, kann es hilfreich sein, die Arbeitsprinzipien eines Resonators in Erinnerung zu bringen, welcher durch eine scheibenförmige Platte gebildet ist und in einer Mode in Schwingung versetzt wird, welche auf eine Drehgeschwindigkeit um die Achse der Scheibe empfindlich ist.
Die Platte kann als einen Doppelresonator bildend betrachtet werden, welcher in seiner Ebene unter der Wirkung eines sich sinusartig ändernden treibenden Felds (erzeugt durch die Elektroden E_M im Fall der 1) schwingt und welcher, im Fall der Drehung um die hierfür empfindliche Achse, auch durch Kopplung aufgrund der Coriolis-Beschleunigung schwingt. Jede Schwingungsmode ist auf eine Drehgeschwindigkeit empfindlich, wenn sie eine mit abwechselnden Symmetrie- und Antisymmetrieachsen zyklische Geometrie aufweist. Im Fall der 1 sind die Achsen A die Antisymmetrieachsen für das treibende Feld und die Symmetrieachsen für das durch die Coriolis-Beschleunigung hervorgerufene Schwingungsfeld.
Allgemein ausgedrückt, weist das Coriolis-Schwingungsfeld unabhängig von der Mode die gleiche Verteilung auf, wie das treibende Feld, jedoch mit einer mit α in der 1 bezeichneten Winkelversetzung, welche die Symmetrie- und Antisymmetrieachsen vertauscht. Diese Versetzung ist gleich π/2n, wobei n die Ordnung der Mode ist.
An jedem Punkt M der Oberfläche der Scheibe kann die Coriolis-Beschleunigung γ_C geschrieben werden als: γ →c(M,t)=2Ώ →(t) ^ V →(M,t) (1) wobei Ω die Drehgeschwindigkeit und V die durch das treibende Feld bedingte Geschwindigkeit ist.
Die Beschleunigung ist somit senkrecht zur Richtung der Verlagerung des Punkts M. Die Anregungseffizienz des Coriolis-Schwingungsfelds durch diese Beschleunigung ist maximal, wenn die Beschleunigung und das Coriolis-Feld kolinear sind. Es ist somit wünschenswert, daß das treibende Schwingungsfeld und das Coriolis-Schwingungsfeld an allen Punkten auf der Oberfläche der Scheibe senkrecht zueinander sind.
Diese Bedingung besteht für die Radialmoden, was ihnen eine Empfindlichkeit verleiht, die größer ist als die der Tangentialmoden, bei denen die Orthogonalitätsbedingung nicht überall erfüllt ist, insbesondere in den Bereichen, in denen die Verlagerungen rein tangential sind und keinen Beitrag zur Emp findlichkeit liefern.
Die Rechnung erlaubt es, die Empfindlichkeit einer gegebenen Mode auf die Geschwindigkeit zu bestimmen, indem das folgende Integral auf der gesamten Fläche des Resonators berechnet wird.
Diese Rechnung macht deutlich, daß die Empfindlichkeit der 4R-Radialmode auf die Drehgeschwindigkeit zehnmal größer ist als die der 4T-Tangentialmode.
Die Gesamtempfindlichkeit des Resonators hängt nicht nur von der Empfindlichkeit auf die Drehgeschwindigkeit, sondern auch von der Empfindlichkeit in piezoelektrischer Hinsicht ab, d.h. von dem durch das von der Coriolis-Schwingung erzeugte Spannungsfeld bzw. Dehnungsbelastungsfeld gelieferten Strom.
Die Rechnung zeigt, daß diese Empfindlichkeit für die 2R-Radialmode sehr gering ist und sie für die 2T-Tangentialmode gering bleibt. Die für die Ordnung 4 sowohl in der Tangentialmode als auch in der Radialmode erhaltene Empfindlichkeit ist hingegen ausreichend um ein zufriedenstellendes Arbeiten der elektronischen Schaltkreise zu ermöglichen.
Insgesamt ermöglicht es die 4R-Mode, eine größere Empfindlichkeit zu erreichen als die 4T-Mode, und sie ermöglicht vor allem, wie man weiter unten sehen wird, eine zentrale Befestigung der Scheibe ohne Störung der Schwingungen. Aus diesem Grund ist es diese Mode, welche beibehalten wird. Es wurde festgestellt, daß die Verwendung einer Mode höherer Ordnung nicht von Interesse ist. Die Resonanzfrequenz steigt, wie die 2 zeigt, derart, daß der Maßstabsfaktor (umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz) abnimmt. Die elektronischen Schaltkreise weisen eine zunehmende Komplexität auf. Die Zahl der Elektroden wird sehr groß, was die Verdrahtung kompliziert.
Die 3 zeigt eine mögliche Geometrie der Elektroden, welche dazu verwendbar sind, eine gyrometrische Vorrichtung in der 4R-Mode arbeiten zu lassen. Diese Geometrie verwendet, sowohl für die Anregung als auch für die Erfassung, abwechselnd positive und negative Elektroden, so daß eine möglichst vollständige Symmetrie erhalten wird. Dies führt zu insgesamt 32 Elektroden. In der 3 werden, ebenso wie in der 1, die folgenden Notationen verwendet:

– E_M+ und E_M- : Elektroden zur Anregung des treibenden Felds, wobei die Elektroden E_M- gegenüber den Elektroden E_M+ mit entgegengesetzter Phase versorgt werden;
– D_M+ und D_M-: Elektroden zur Erfassung des treibenden Felds, welche auf das Coriolis-Schwingungsfeld unempfindlich sind und eine Regelung des treibenden Felds auf eine konstante Amplitude ermöglichen;
– D_C+ und D_C-: Elektroden zur Erfassung des Coriolis-Felds;
– E_C+ und E_C-: Elektroden zur Kompensation des Coriolis-Felds.

Andere Anordnungen sind möglich, und insbesondere kann man die Elektroden zur Kompensation des Coriolis-Felds zumindest bei der Arbeitsweise als Gyrometer weglassen. Man kann auch die Elektroden zur Erfassung des treibenden Felds weglassen, wenn man eine Arbeitsweise mit einer variablen Anregung zuläßt.
Die Elektroden zur Erfassung D_M und D_C sind an dem Rand der Scheibe verteilt angeordnet, wo die durch das treibende Feld und das Coriolis-Feld hervorgerufenen Verlagerungen am stärksten sind, wie 4 zeigt. Diese Elektroden D_C und D_M sind in Richtung zum Zentrum durch Bahnen 20 verlängert, die in Anschlüssen 22 enden, welche das Anlöten von Drähten zum Anschluß an den Meßschaltkreis ermöglichen. Die Drähte können in das Innere des Innenrands 24 der Scheibe 12 verlaufen. Die Elektroden D_M und D_C weisen alle die gleiche Fläche auf. Zwei aufeinanderfolgende Elektroden mit gleicher Funktion und gleicher Polarität sind unter 90° zueinander angeordnet.
Die Elektroden zur Anregung E_C und E_M weisen dreieckige Form mit einer zentralen Lücke für den Durchtritt der Bahnen der Elektroden zur Erfassung auf. Sie sind alle identisch. Jede Antriebs- oder Kompensationselektrode ist mit einer entsprechenden Elektrode zur Erfassung für das gleiche Feld mit gleicher Polarität ausgerichtet.
In der beispielhaft in 3 angegebenen Ausführungsform sind jede Elektrode zur Erfassung und ihre Bahn von einer Abschirmelektrode 26 umgeben, welche auf Masse gelegt ist und kapazitive Störkopplungen zwischen Elektroden zur Anregung und Elektroden zur Erfassung nennenswert mindert. In dem dargestellten Fall bildet die Abschirmelektrode eine spinnwebenartige Struktur, welche in gleichmäßigen Winkelabständen verteilte radiale Bahnen, welche jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meß- oder Anregungselektroden angeordnet sind, eine kreisförmige zentrale Bahn 28, welche durch einen durch das zentrale Loch der Platte verlaufenden Draht einfach auf Masse gelegt werden kann, und Zweige 30, welche die Bahnen 20 umgeben, aufweist.
Bei dieser Ausführungsform ist die Seite der Scheibe 12, welche nicht die in 3 gezeigten Elektroden trägt, im wesentlichen vollständig mit einem metallischen Überzug bedeckt, welcher auf Masse gelegt ist.
Die Montage der Platte kann in der in 5 gezeigten Art erfolgen. Die Platte 12 ist an einem Fuß 30 aus einem Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten befestigt, welcher eine zentrale röhrenförmige Verlängerung aufweist, welche in dem zentralen Loch der Platte 12 anliegt und an dieser letzteren angeklebt ist. An dem Fuß ist eine Haube 32 befestigt, welche einen ringförmigen gedruckten Schaltkreis 34 trägt. Die Elektroden mit gleicher Funktion und gleicher Polarität können zur Bildung von Vierergruppen parallel gelegt und mit einem einzigen Verbindungsdraht angeschlossen werden.
Die Betrachtung der 4 zeigt, daß die Verlagerungen in der Nähe des Innenrands 24 extrem klein sind, so daß diese Befestigungsweise die Messung nicht stört.
Die dem schwingenden Detektororgan der 3 zugeordneten Schaltkreise können von verschiedener Art sein und insbesondere von einer in den früheren Patentanmeldungen der Anmelderin beschriebenen Art. Die 6 zeigt einen anderen möglichen Aufbau des Anregungsschaltkreises und des Meßschaltkreises.
Der in 6 dargestellte Anregungsschaltkreis arbeitet als geschlossene Schleife, um der Anregungsschwingung eine konstante Amplitude und eine Pulsation zu geben, welche gleich der der richtigen Schwingungsmode ist. Er umfaßt einen amplitudenmodulierten Oszillator 40. Die von den Elektroden D_M+ und D_M- kommenden Ausgangssignale werden mit ihrem Absolutwert in einem Summierer 42 addiert, welcher sie unter Zwischenschaltung von Verstärkern 44 empfängt. Der Schaltkreis umfaßt auch einen Steuermultiplikator 46 für die Ausgangsspannung des Oszillators 40. Ein Eingang des Multiplikators empfängt das Ausgangssignal einer Phasenverriegelungsschleife 48, welche es ermöglicht, die 4R-Schwingungsmode unter den anderen in der Frequenz benachbarten und die gleichen Phasenrelationen aufweisenden Moden, insbesondere der 4T-Mode, auszuwählen. Hierzu weist die Phasenverriegelungsschleife 48 wenigstens eine obere Grenzfrequenz auf, welche die Schwingung bei der Frequenz der 4T-Mode verbietet. Vorteilhafterweise umfaßt sie auch eine untere Grenzfrequenz, welche nur bei Inbetriebnahme zur Wirkung kommt. Beim Einschalten stellt sich somit eine Schwingung bei einer Frequenz zwischen den beiden Grenzfrequenzen ein undder Verstärkungsgrad der Regelung weist maximale Amplitude auf. Das von dem Summierer 42 gelieferte erfaßte Signal wird in seiner Phase mit dem von der Phasenverriegelungsschleife, welche den Oszillator 40 steuert, ausgegebenen Signal verglichen, bis die Signale in der Phase übereinstimmen. Die Vorrichtung schwingt somit in der richtigen 4R-Mode.
Der zweite Eingang des Multiplikators 46 empfängt ein Amplitudenregelsignal, welches durch Vergleich der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Summierers 42 mit einem Referenzsignal erhalten wird. Der durch den Gleichrichter 50 und den Komparator 52 gebildete Schaltkreis stellt einen Amplitudenregelkreis dar.
Der Meßschaltkreis umfaßt Verstärker 54, welche Ausgangssignale der Elektroden D_C empfangen und einen Absolutwert-Summierer 56 speisen. Diesem Summierer folgen zwei synchrone Demodulatoren 57, welche Referenzsignale des Oszillatorschaltkreises empfangen und eine Demodulation in Phase sowie um 90° phasenverschoben durchführen. Die Referenzsignale umfassen ein Cosinussignal, welches von einem von einem 90°-Phasenschieber gefolgten Wandlerschaltkreis 61 ausgegeben wird, und ein Sinussignal, welches von einem Schaltkreis 63 ausgegeben wird, welcher in Reihe mit dem Schaltkreis 61, gefolgt von einem keine Phasenverschiebung bewirkenden Schwellenschaltkreis, geschaltet werden kann. Die demodulierten Signale durchlaufen Korrekturnetzwerke 58 und 60, welche den gesamten Durchlaßbereich festlegen. Die Ausgänge der Netzwerke werden bei 62 und 64 remoduliert. Sie werden anschließend einem Verstärker 66 zugeführt, welcher die Elektroden E_C+ und E_C- versorgt. Das in Phase remodulierte Signal, welches an dem Ausgang eines der Netzwerke 58 und 60 auftritt, ist für die Drehgeschwindigkeit Ω des Resonators um seine Achse repräsentativ.
Um eine Arbeitsweise der Vorrichtung als Gyroskop zu erreichen, können die Anregungs- und Meßschaltkreise verschiedenen Aufbau und insbesondere den in 7 gezeigten Aufbau aufweisen.
In jedem Fall erzeugt eine Drehung Φ des Gehäuses der Platte um seine empfindliche Achse (die Achse der Platte) eine Drehung θ des Schwingungsfelds relativ zu dem Resonator. Der Meßschaltkreis muß sin θ und cos θ aus den Schwingungsamplituden des dem Anregungsschaltkreis zugeordneten Eingangsresonators und des Ausgangsresonators, welche elektrisch gesehen zueinander orthogonal sind, messen.
Das Verhältnis zwischen θ und Φ hängt von der Geometrie des Resonators ab.
Der Anregungsschaltkreis hat die gleiche Funktion wie in dem Gyrometermodus, d.h. die Funktion der Kompensation von Verlusten. Er muß diese Funktion jedoch unabhängig von der Richtung des Schwingungsfelds relativ zum Resonator sicherstellen.
Für die Arbeitsweise als Gyroskop ist es notwendig, die Elektroden zur Erfassung entsprechend den Eingangs- und Ausgangsmoden bei der Arbeitsweise als Gyrometer (Elektroden D_C und D_M in der 3) anzuordnen. Diese Elektroden, die man als jeweils den Achsen X und Y entsprechend betrachten kann, sind in der 7 durch die Bezugszeichen D_X und D_Y bezeichnet. Die Schwingung wird aus der Summe aus dem Integral des einen Erfassungswegs und dem anderen Erfassungsweg wieder hergestellt. Das erhaltene Signal ist für die Schwingung in Amplitude und Phase kennzeichnend.
Die Amplitudenregelkette weist einen Aufbau auf, welcher dem in 6 gezeigten vergleichbar ist. Sie umfaßt noch einen Gleichrichter 70 und einen Komparator 72 mit einem Referenzwert, welcher einen Steuermultiplikator 74 speist.
Der Meßschaltkreis umfaßt noch eine dem für die Schwingung repräsentativen Signal unterworfene Phasenverriegelungsschleife 76 mit einem Phasen-Einstellwert, welcher von einem Winkel-Kodierungsschaltkreis 78 ausgegeben wird, welcher die Amplituden der Schwingungen dazu verwendet, eine Abschätzung θ der Drehung θ zu berechnen. Der Winkel-Kodierungsschaltkreis 78 demoduliert die erfaßten Sinus- und Cosinussignale bezüglich einer Kodierungsreferenz, welche von einem Ausgang 80 der Phasenverriegelungsschleife 76 ausgegeben wird.
Das nach Regelung der Amplitude bei 74 erhaltene Signal wird an die Elektroden zur Anregung E_X und E_Y (entsprechend den Elektroden E_C und E_M der 3) durch zwei Multiplikatoren 84 und 86 verteilt, welche durch cos θ ^ und sin θ ^, d.h. die trigonometrischen Funktionen der Abschätzung θ ^ der Drehung θ der Schwingung, gesteuert werden.
Der Ausgang des Winkel-Kodierungsschaltkreises 78 stellt eine Abschätzung θ ^ der Orientierung der Schwingung bezüglich des Resonators dar: Der Winkel Φ, um welchen der Resonator gedreht hat, wird durch Teilen dieses Winkels durch einen bekannten Antriebskoeffizienten erhalten, welcher experimentell bestimmt werden kann und eine gute Stabilität aufweist.
Die Erfindung sieht somit eine als Gyrometer oder als Gyroskop verwendbare gyrometrische Vorrichtung vor, welche ein schwingendes Detektororgan in Form einer im wesentlichen ebenen und kreisförmigen Platte umfaßt, welche zum wenigstens größten Teil aus piezoelektrischem Material besteht und deren große Flächen sowohl Elektroden zur Anregung der Platte in Resonanz als auch Elektroden zur Erfassung von Schwingungen der Platte tragen, wobei die Elektroden zur Anregung gleichmäßig um die Achse der Platte verteilt sind und die Elektroden zur Erfassung von Schwingungen in derselben Ebene wie die Elektroden zur Anregung liegen und derart angeordnet sind, daß sie die Spannungen erfassen, welche durch das durch die Elektroden zur Anregung verursachte treibende Feld und, bei Drehung der Platte um ihre durch die Achse der Scheibe gebildete empfindliche Achse, durch das Coriolis-Feld hervorgerufen werden. Die Elek troden zur Anregung der Platte in Resonanz weisen eine zur Erzeugung einer Radialkeulen-Schwingung der Ordnung 4 bestimmte Geometrie auf und sind mit einem Versorgungsschalt kreis verbunden, welcher dazu vorgesehen ist, eine Radialkeulen-Resonanz durch Begrenzung der Frequenz des Schaltkreises auf einen Grenzwert zu erzeugen.

Claims

Gyrometrische Vorrichtung mit einem schwingenden Detektororgan in Form einer im wesentlichen ebenen und kreisförmigen Platte, welche zum größten Teil aus piezoelektrischem Material besteht und an ihrer Oberfläche sowohl Elektroden zur Anregung der Platte in Resonanz als auch Elektroden zur Erfassung von Schwingungen der Platte aufweist, wobei die Elektroden zur Anregung gleichmäßig um die Achse der Platte verteilt sind und die Elektroden zur Erfassung von Schwingungen in derselben Ebene wie die Elektroden zur Anregung liegen und derart angeordnet sind, daß sie die Spannungen erfassen, welche durch das durch die Elektroden zur Anregung verursachte treibende Feld und, bei Drehung der Platte um ihre durch die Achse der Scheibe gebildete empfindliche Achse, durch das Coriolis-Feld hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zur Anregung der Platte in Resonanz eine zur Erzeugung einer Radialkeulen-Schwingung der Ordnung 4 bestimmte Geometrie aufweisen, d.h. dass wenigstens jeweils acht Elektroden zur Anregung der Platte und zur Erfassung von Schwingungen vorgesehen sind, wobei die Elektroden zur Erfassung von Schwingungen jeweils in Umfangsrichtung der Platte zwischen zwei Elektroden zur Anregung der Platte vorgesehen sind, und die Elektroden zur Anregung der Platte mit einem Versorgungsschaltkreis verbunden sind, welcher dazu vorgesehen ist, eine Radialkeulen-Resonanz durch Begrenzung der Frequenz des Schaltkreises auf einen Grenzwert zu erzeugen, welcher unterhalb der Resonanzfrequenz der Platte in der Tangentialmode der Ordnung 4 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zur Erfassung an dem Rand der Scheibe verteilt angeordnet und zum Zentrum hin durch Bahnen (20) verlängert sind, welche in Lötanschlüssen (22) für Drähte zur Verbindung mit dem Meßschaltkreis enden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zur Anregung (E_C, E_M) dreieckige Form mit einer zentralen Lücke für den Durchtritt der Bahnen der Elektroden zur Erfassung aufweisen, wobei jede treibende oder das Coriolis-Feld kompensierende Elektrode zur Anregung nach einer Elektrode zur Erfassung, welche dem gleichen Feld entspricht und die gleiche Polarität aufweist, ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode zur Erfassung und ihre Bahn von einer mit Masse verbundenen Abschirmelektrode umgeben sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsschaltkreis einen amplitudenmodulierten Oszillator (40) umfaßt, welcher durch Ausgangssignale der Elektroden zur Erfassung des treibenden Felds unter Zwischenschaltung einer Phasenverriegelungsschleife mit unterer und oberer Grenzfrequenz gesteuert wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Meßschaltkreis mit einem Winkelkodierer (78) aufweist, welcher mit zwei im elektrischen Sinn orthogonalen Schwingungen entsprechenden Erfassungselektrodensätzen (D_X, D_Y) verbunden ist und einen Phasen-Einstellwert für eine Phasenverriegelungsschleife (76) liefert, welche ihrerseits an den Kodierer eine Kodierungsreferenz abgibt, und dadurch, daß der Anregungsschaltkreis Mittel zum Bilden der Summe aus dem Integral des von dem einen Satz kommenden Signals und dem von dem anderen Satz kommenden Signal, einen Komparator (72) mit einem Bezugswert, einen Steuermultiplikator (74), welcher das Ausgangssignal der Schleife (80) empfängt, und zwei Ausgangsmultiplikatoren (84, 86), welche das Ausgangssignal des Multiplikators empfangen und durch die trigonometrischen Funktionen der durch den Winkelkodierungsschaltkreis (78) gelieferten Abschätzung θ gesteuert werden, umfaßt.