DE19802822C2 - Schwingkreisel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingkreisel, der die Möglichkeit bietet, eine Winkelgeschwindigkeit nachzuweisen, wenn von einer Treibereinrichtung ein Schwinger in Schwingungen versetzt wird, indem Schwingungskomponenten aufgrund einer durch die Winkelgeschwindigkeit hervorgerufenen Corioliskraft in Form elektrischer Signale unter Ausnutzung piezoelektrischer Effekte nachgewiesen werden.

Fig. 12A zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen konventionellen Schwingkreisel. Fig. 12B ist eine Schnittansicht des in Fig. 12A dargestellten Schwingkreisels.

Bei diesem Typ von Schwingkreisel ist an einer Oberseite 31a eines prismatisch ausgebildeten Schwingers 31 eine piezoelektrische Treibereinrichtung 32a befestigt. Der Schwinger besteht aus einer dauerelastischen Legierung, beispielsweise Elinvar oder dergleichen, und hat quadratischen Querschnitt. Wenn an die piezoelektrische Einrichtung 32a Treiberleistung gelegt wird, erzeugt der Schwinger 31 Biegeschwingungen mit einer Amplitudenrichtung, die hier als Y- Richtung definiert ist.

Wenn der die Biegeschwingung ausführende Schwinger 31 in ein drehendes System eingebracht wird und eine Winkelgeschwindigkeit ω um eine Z-Achse aufweist, wirkt auf den Schwinger 31 eine Corioliskraft in einer Richtung (X-Richtung), welche die Schwingungsrichtung (Y-Richtung) kreuzt. Somit findet in dem Schwinger 31 aufgrund der Colioliskraft eine Schwingung mit Schwingungsamplituden in X-Richtung statt. Demzufolge erzeugt der Schwinger 31 eine elliptische Schwingung, welche dadurch erhalten wird, daß die Antriebsschwingung in Y-Richtung und die Schwingung in X-Richtung aufgrund der Colioliskraft vektoriell addiert werden.

Wenn die Masse des Schwingers 31 den Wert m hat, die Geschwindigkeit einer Schwingungskomponente in Y-Richtung mit v (Vektor) bezeichnet wird, und die Winkelgeschwindigkeit um die Z- Achse mit ω (Vektor) bezeichnet wird, so entsteht eine Corioliskraft F (Vektor) gemäß folgender Gleichung:

Gleichung 1

F = 2m(vxω) (x: Vektorprodukt)

Die Corioliskraft F ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit ω.

Um die auf der Corioliskraft beruhende Schwingungskomponente nachzuweisen, ist üblicherweise eine piezoelektrische Nachweiseinrichtung 33 an der Seitenfläche 31c angebracht, die der Amplitudenrichtung (X-Richtung) der Corioliskraft-Schwingung zugewandt ist, wie aus Fig. 12B hervorgeht.

Fig. 11 zeigt ein von einer Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Einrichtung 33 gemäß Fig. 12B erzeugtes Ausgangssignal in Form eines Vektordiagramms.

Wenn Antriebsleistung auf die piezoelektrische Einrichtung 32a gegeben wird und der Schwinger 31 mit einer Amplitude in Y-Richtung schwingt, und wenn dabei keine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist, erhält man an der Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Einrichtung 33 eine Ausgangsgröße F0. Da der Schwinger 31 in Y- Richtung schwingt, wird diese Ausgangsgröße F0 von der piezoelektrischen Einrichtung 33 entsprechend der Schwingungs- Anregung einer Leistungsumsetzung unterworfen. Diese Ausgangsgröße F0 wird im folgenden als "Nullausgabe" bezeichnet. Die Nullausgabe F0 ist z. B. in ihrer Phase um 90° gegenüber dem der piezoelektrischen Einrichtung 32a zugeführten Treibersignal verschoben.

Wenn eine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist und die Schwingungskomponente in X-Richtung aufgrund der Colioliskraft erzeugt wird, liefert die piezoelektrische Einrichtung 33 ein Coriolissignal Fω entsprechend der Schwingungskomponente aufgrund der Colioliskraft. Das nachgewiesene Meßsignal F1, welches also von der Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Einrichtung 33 gewonnen wird, entspricht der Summe der Nullausgabe F0 und des Coriolissignals Fω, die jeweils als Vektoren dargestellt werden. Das Coriolissignal Fω das in Fig. 11 durch eine ausgezogene Linie dargestellt ist, entspricht einer Ausgangsgröße bei einer gegebenen Winkelgeschwindigkeit ω um die Z-Achse beispielsweise im Uhrzeigersinn. Ist die Winkelgeschwindigkeit ω im Gegenuhrzeigersinn gerichtet, hat das Coriolissignal Fω eine Vektorrichtung, die in Fig. 11 durch gestrichelte Linien dargestellt ist.

Als Verfahren zum Ermitteln der Ausgangskomponente, welche auf die Colioliskraft zurückzuführen ist, aus dem Meßsignal F1, welches die Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Einrichtung 33 liefert, gibt es ein bekanntes Amplitudendifferenz-Nachweisverfahren, mit dem die Differenz W der Amplitude zwischen F1.cosθ und der Nullausgabe F0 ermittelt wird; außerdem gibt es ein Verfahren, bei dem eine Phasenänderung θ in dem Meßsignal nachgewiesen wird.

Das Verfahren, bei dem die Amplitudendifferenz ermittelt wird, ist nicht in der Lage, die Amplitudendifferenz zwischen F1.cosθ und der Nullausgabe F0 zu ermitteln, wenn die Nullausgabe F0 schwankt. Bei einem Schwingkreisel, in welchem die piezoelektrische Einrichtung an dem aus der dauerelastischen Legierung gebildeten Schwinger angebracht ist, unterliegt die Amplitude der Nullausgabe F0 Schwankungen aufgrund von Temperaturänderungen, und es ergibt sich eine Temperaturdrift, wenn die Komponente entsprechend der Corioliskraft ermittelt wird.

Das Verfahren zum Ermitteln der Phasenänderung θ ist in der Japanischen Patent-Anmeldung 4-14734 offenbart. Bei jenem bekannten Verfahren wird ein von einer piezoelektrischen Rückkopplungseinrichtung 32b auf der Unterseite 31b des Schwingers 31 erhaltenes Rückkopplungssignal um 90° in der Phase verschoben, um ein Vergleichssignal zu erhalten, dessen Phase identisch mit jener des Treibersignals ist. Aufgrund des Vergleichssignals wird eine Phasenänderung θ im Meßsignal F1 von der piezoelektrischen Einrichtung 33 unter Verwendung einer Exclusiv-oder-Schaltung (EX- OR-Gatter) gewonnen.

Bei dem Verfahren zum Ermitteln der Phasenänderung θ mit dem Zweck, die auf die Corioliskraft zurückzuführende Schwingungskomponente zu ermitteln, ist der Einfluß der Temperaturdrift weniger ausgeprägt als bei dem oben erläuterten Amplitudennachweisverfahren, weil ersteres Verfahren kaum beeinflußt wird durch eine Änderung der Amplitude der Nullausgabe bei Temperaturänderungen.

Da allerdings die Amplitude des Coriolissignals Fω kleiner ist als diejenige der Nullausgabe F0, ist das Ausmaß der Phasenänderung θ nicht besonders groß, und mithin ist ein sehr genaues Messen schwierig. Darüberhinaus erfordert der Nachweis einer winzigen Phasenänderung θ mit hoher Genauigkeit auch die Steigerung der Präzision der Schaltung mit entsprechend teureren elektronischen Bauteilen, so daß insgesamt die Kosten steigen. Wird eine kleine Phasenänderung θ mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen, so muß die Verstärkung eines Analogteils der Schaltung erhöht werden, wodurch die Beeinflußung der Schaltung aufgrund von Drifterscheinungen bei Temperaturschwankungen zunimmt.

Aus der DE 198 00 333 A1 (die entsprechende Anmeldung besitzt einen besseren Zeitrang als die vorliegende Patentanmeldung) ist ein Schwingkreisel entnehmbar, der einen Schwinger, eine Treibereinrichtung und eine Detektiereinheit enthält. Wie die verschiedenen Signale ausgewertet werden, läßt sich dieser Schrift nicht entnehmen. Entnehmbar ist der Schrift lediglich, daß zur Ermittlung der Winkelge­ schwindigkeit die Differenz unterschiedlicher Phasensignale von Fühlerelektroden gebildet wird.

Aus der DE 195 44 338 A1 ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor bekannt, bei dem an einem Schwinger piezoelektrische Anregungs- und Erfassungselemente angeordnet sind. Mit Hilfe der Erfassungselektroden läßt sich die Schwingung von Schenkeln des Schwingers in X-Richtung sowie die Winkelgeschwindigkeit um ei­ ne Z-Achse ermitteln. Phasendifferenzsignale werden nur in Verbindung mit der Störung von lästigem Rauschen verwendet. Die eigentliche Signalerfassung zum Ermitteln der Winkelgeschwindigkeit erfolgt durch Subtraktion der von verschiede­ nen Erfassungselektroden erfaßten Signale und durch anschließende Synchron­ demodulation des so erhaltenen Differenzsignals.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schwingkreisel zu schaffen, der in der Lage ist, eine Phasenänderung eines detektierten Ausgangssignals mit dem Vergleich zum herkömmlichen Schwingkreisel erhöhter Genauigkeit zu ermitteln, um dadurch die Möglichkeit zu erhalten, die Genauigkeit beim Ermitteln einer Winkelgeschwindigkeit zu steigern.

Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung einen Schwingkreisel mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Schwingkreisel werden die Ausgangsgrößen, deren Nullausgabe in Phase sind, und deren Coriolissignal-Komponenten gegenläufige Phasen haben, aus den beiden Detektierausgabeeinrichtungen der Detektiereinheit gewonnen. Bei dem Schwingkreisel gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Phasendifferenz zwischen den Ausgangsgrößen ermittelt, die von beiden Detektierausgabeeinrichtungen geliefert werden. Die von dem Paar von Detektierausgabeeinrichtungen gelieferten Ausgangsgrößen beinhalten die in Phase miteinander liegenden Nullausgaben. Das Ermitteln der Differenz der Phase zwischen den Ausgangsgrößen, die von beiden Detektierausgabeeinrichtungen geliefert werden, führt also zu der Addition der Phasendifferenz zwischen dem Coriolissignal und dem Nullausgang, bezogen auf das von der einen Detektierausgabeeinrichtung gelieferte Ausgangssignal, und der Phasendifferenz zwischen dem Coriolissignal und der Nullausgabe, bezogen auf das von der anderen Detektierausgabeeinrichtung erzeugte Ausgangssignal. Bei dem Schwingkreisel gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden die Coriolissignalkomponenten beseitigt oder ausgelöscht, indem die von den individuellen Detektierausgabeeinrichtungen erzeugten Ausgangsgrößen addiert werden, wodurch ein Signal gewonnen wird, welches in Phase mit jeder Nullausgabe ist. Jede Phasendifferenzeinrichtung erzeugt ein Vergleichssignal basierend auf dem Signal, welches in Phase mit der Nullausgabe ist. Auf der Grundlage dieses Vergleichssignals werden die Phasendifferenzen zwischen den von den Detektierausgabeeinrichtungen gewonnenen Ausgangssignalen ermittelt, und beide Phasendifferenzen werden addiert.

Gemäß Fig. 10 läßt sich also die Phasendifferenz Φ zwischen der Summe der Vektoren für die Coriolissignale verschiedener Phasen und der Summe der Vektoren für die Nullausgaben nachweisen. Selbst wenn die Amplitude jedes Coriolissignals klein ist, ermöglicht der Nachweis der Phasendifferenz Φ ein hochgenaues Messen im Vergleich zu der herkömmlichen Anordnung zum Ermitteln der Phasenänderung θ, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist. Da außerdem die Nachweisempfindlichkeit dadurch gesteigert ist, daß die zwei Phasendifferenzen Φ ermittelt werden, braucht der Analogteil der Schaltung in seiner Verstärkung nicht erhöht werden, so daß der Einfluß der Schaltungsdrift aufgrund von Temperaturänderungen abgemildert wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann die oben beschriebene Einrichtung derart ausgebildet sein, daß Detektierausgabeeinrichtungen 5a und 5b als Elektroden auf ein und derselben Fläche eines Schwingers ausgebildet sind und dielektrische Polarisierungsrichtungen jedes piezoelektrischen Materials, auf dem das Paar von Elektroden einander gegenüberliegt, in Bezug auf die Schwingungsrichtung einander entgegengesetzt sind. Bei dieser Ausgestaltung können Meßsignale C und D von denen als Elektroden ausgebildeten Detektierausgabeeinrichtungen 5a und 5b an dem Schwinger erhalten werden, bei denen die Nullausgaben in Phase sind und die Coriolissignale gegenphasig sind.

Es kann Fälle geben, in denen je nach den dielektrischen Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials und den Stellen, an denen sich die als Detektierausgabeeinrichtungen fungierenden Elektroden befinden, Meßsignale erhalten werden, bei denen die Nullausgaben gegenphasig sind, während die Coriolissignale in Phase sind. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, die eine Detektierausgabeeinrichtung mit einem Phasendreher auszustatten, um Meßsignale zu erhalten, bei denen die Nullausgänge in Phase sind, während die Coriolissignale gegenphasig sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist jeder Schwinger in seiner Gesamtheit aus piezoelektrischem Material gefertigt, wobei die Detektierausgabeeinrichtungen durch Elektroden gebildet werden, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials ausgebildet sind.

Wenn der gesamte Schwinger aus piezoelektrischem Keramikmaterial oder Kristallmaterial hergestellt ist, kann hierdurch die Temperaturdrift im Vergleich zu einer Anordnung verringert werden, bei der auf einer dauerelastischen Legierung piezoelektrisches Material angebracht ist. Allerdings kann auch erfindungsgemäß der Schwinger so gebildet sein, daß er aus einer dauerelastischen Legierung, beispielsweise Elinvar, hergestellt ist, und daß als Treiber- und Detektiereinrichtung auf diesem Schwinger piezoelektrische Elemente angeordnet sind.

Speziell eignet sich als Struktur für den Schwinger eine dreiarmige oder eine zweiarmige Stimmgabel, ausgestattet mit den paarweisen Detektierausgabeeinrichtungen, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Alternativ wird ein stab- oder säulenförmiger Schwinger mit einem Querschnitt entsprechend einem gleichseitigen Dreieck verwendet, wobei die Detektierausgabeabschnitte auf zwei Flächen des Schwingers vorgesehen sein können. Ferner kann man einen Schwinger mit quadratischem Querschnitt, wie er in Fig. 12 dargestellt ist, als Alternative zu den oben angegebenen Formen verwenden, wobei dann die Detektierausgabeabschnitte auf den beiden Seiten angebracht sind, die in X-Richtung weisen.

Als Treibereinrichtung zum Anregen des Schwingers kann jeweils auch eine statische Wandlereinrichtung vorhanden sein, die nicht aus piezoelektrischem Material besteht.

Zusätzlich zu den im folgenden zu beschreibenden Ausführungsformen kann die Erfindung auch noch anders ausgestaltet und abgewandelt werden, wie es hier ausdrücklich angegeben ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine perspektivische Ansicht eines Schwingkörpers eines Schwingkreisels gemäß der Erfindung bei seitlicher Betrachtung von vorn;

Fig. 1B eine perspektivische Ansicht des Schwingkörpers gemäß Fig. 1A bei seitlicher Betrachtung von hinten;

Fig. 2 eine Stirnansicht, die Schwinger gemäß Pfeilrichtung II in Fig. 1A zeigt;

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform einer Detektierschaltung;

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer Detektierschaltung;

Fig. 5 ein Impulsdiagramm von Wellenformen an einzelnen Komponenten der in Fig. 3 gezeigten Detektierschaltung für den Fall, daß der Schwinger keine Winkelgeschwindigkeit aufweist;

Fig. 6 ein Impulsdiagramm von Wellenformen an einzelnen Komponenten der Detektierschaltung nach Fig. 3 für den Fall, daß eine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist;

Fig. 7 ein Impulsdiagramm von Wellenformen an einzelnen Komponenten der in Fig. 4 gezeigten Detektierschaltung, wenn keine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist;

Fig. 8 ein Impulsdiagramm von Wellenformen einzelner Komponenten der in Fig. 4 gezeigten Detektierschaltung für den Fall, daß eine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist und die Phase des Meßsignals C voreilt;

Fig. 9 ein Impulsdiagramm von Wellenformen an einzelnen Komponenten der in Fig. 4 gezeigten Detektierschaltung für den Fall, daß eine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist und die Phase des Meßsignals C nacheilt;

Fig. 10 ein Diagramm zum Erläutern von Meßsignalen in der Form von Vektoren;

Fig. 11 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Ausgangssignals, welches von einem Schwingkreisel gemessen wird, in Form von Vektoren;

Fig. 12A eine perspektivische Ansicht eines Schwingers eines herkömmlichen Schwingkreisels; und

Fig. 12B eine Querschnittansicht des in Fig. 12A dargestellten Schwingers.

Ein Schwingkörper 1 ist in seiner Gesamtheit aus piezoelektrischem Material hergestellt, z. B. plattenförmigem Keramik- oder Kristallmaterial. Ein vorderer Bereich des Schwingkörpers ist durch Nuten 1A aufgetrennt in drei Schwinger oder Schwingarme 1a, 1b und 1c, die einstückig zusammenhängen. Die dielektrischen Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials für jeden Schwinger 1a, 1b und 1c sind in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet. Die Schwinger 1b und 1c auf der rechten und der linken Seite sind bezüglich der dielektrischen Polarisationsrichtung identisch. Der mittlere Schwinger 1a ist in der dielektrischen Polarisationsrichtung bezüglich des linken und des rechten Schwingers 1b bzw. 1c symetrisch, betrachtet bezüglich der linken und der rechten Seite sowie der Richtung nach oben und nach unten.

An den jeweiligen Schwingers 1a, 1b und 1c sind jeweils Paare von Treiberelektroden 2 aus leitendem Material auf der Unterseite angeordnet. Wie in Fig. 1B zu sehen ist, verlaufen die Treiberelektroden 2 zu einem Basisende 1B des Schwingkörpers 1. Die Treiberelektroden 2 sind über nicht dargestellte Leiter oder Drähte elektrisch mit einer Wechselstrom-Treiberquelle 3 verbunden, von der Treiberspannungen gleichen Potential an die jeweiligen Treiberelektroden 2 gelegt werden.

Der linke und der rechte Schwinger 1b bzw. 1c besitzen Paare von Masseelektroden 4, die auf der Oberseite des Schwingkörpers 1 ausgebildet sind, und der mittlere Schwinger 1a besitzt eine auf ihm ausgebildete Masseelektrode 4. Die einzelnen Masseelektroden 4 verlaufen zu dem Basisende 1b des Schwingkörpers 1. Ein massives Muster 4a befindet sich auf der in Fig. 1A dargestellten Oberseite des Schwingkörpers 1 an dessen Basisende 1B. Sämtliche Masseelektroden sind elektrisch mit dem massiven Muster 4a gekoppelt. Die einzelnen Masseelektroden 4 führen Massepotential oder Erdpotential über nicht dargestellte Drahtverbindungen.

Die Treiberspannungen werden den entsprechenden piezoelektrischen Stoffen als Treibereinrichtung über die Treiberelektroden 2 und die Masseelektroden 4 zugeführt. Entsprechend der dielektrischen polarisierten Struktur gemäß Fig. 2 werden der linke und der rechte Schwinger 1b und 1c zu einer gleichphasigen Schwingung in X-Richtung angeregt, während der mittlere Schwinger 1a in ähnlicher Weise zu einer Schwingung in X-Richtung angeregt wird, jedoch mit einer Phase, die derjenigen des linken und des rechten Schwingers 1b, 1c entgegengesetzt ist (der Phasenunterschied beträgt 180°). Die Amplituden des linken und des rechten Schwingers 1b, 1c in X-Richtung sind jeweils in ihrer Richtung entgegengesetzt der Amplitude am Schwinger 1a in X-Richtung, wenn man jeweils einen Zeitpunkt betrachtet.

Ein Paar Detektorelektroden 5a und 5b ist auf der Oberseite des mittleren Schwingers 1a ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform dienen die Detektorelektroden 5a und 5b als Detektierausgabeeinrichtungen, die paarweise arbeiten. Jede der Detektorelektroden 5a und 5b erstreckt sich zu einer Stelle vor dem Basisende 1B am hinteren Teil des Schwingkörpers 1. Integral mit den Detektorelektroden 5a und 5b sind dort Kontaktflecken 5a1 und 5b1 ausgebildet.

Wenn der Schwingkörper 1 in einem Drehsystem angeordnet wird, welches sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um eine Z-Achse dreht, während die Schwinger 1a, 1b und 1c in X-Richtung zum Schwingen angeregt werden, besitzen die Schwinger 1a, 1b und 1c Schwingungskomponenten, die in Y-Richtung verlaufen, hervorgerufen durch die Corioliskraft gemäß obiger Gleichung (1). Da es eine umgekehrte Beziehung zwischen den Schwingungsphasen der Schwinger 1b und 1c an den beiden Seiten und der Schwingungsphase des mittleren Schwingers 1a aufgrund der jeweiligen Treiberspannungen gibt, haben die Schwinger 1b und 1c eine zur Phase des Schwingers 1a entgegengesetzte Schwingungsphase aufgrund der Corioliskraft. Das heißt: die Orientierungen der Amplitudenkomponenten der Schwinger 1b und 1c entlang der Y-Achse aufgrund der Corioliskraft sind zu jedem Zeitpunkt die gleichen. Die Orientierung der Amplitudenkomponente des mittleren Schwingers 1a in Y-Richtung ist denjenigen der Schwinger 1b und 1c entgegengesetzt.

Die Detektorelektroden 5a und 5b sind auf derselben Oberfläche (der selben Schwingungsfläche) des mittleren Schwingers 1a ausgebildet, und das piezoelektrische Material des mittleren Schwingers 1a fungiert als Corioliskraft-Detektoreinrichtung oder -Nachweiseinrichtung. Die dielektrischen Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Stoffe für diejenigen Bereiche, an denen die Detektorelektroden 5a und 5b ausgebildet sind, sind einander entgegengesetzt. Damit werden die einzelnen Schwinger 1a, 1b und 1c von einem von der Wechselstrom- Treiberquelle 3 gelieferten Treibersignal in X-Richtung zum Schwingen angeregt. Wenn keine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist, können durch ein an der Detektorelektrode 5c abgegriffenes Ausgangs- oder Meßsignal C und ein an der Detektorelektrode 5b abgegriffenes Ausgangssignal D Nullausgänge gewonnen werden, die durch die Schwingungen des mittleren Schwingers 1a in X-Richtung hervorgerufen werden. Darüberhinaus sind die Coriolis-Ausgangskomponenten, die durch die Schwingungen des mittleren Schwingers in Y-Richtung aufgrund der Corioliskraft erzeugt werden, bei dem Ausgangssignal C von der Elektrode 5a und dem Ausgangssignal D von der Detektorelektrode 5b in der Phase entgegengesetzt.

Im folgenden soll eine in Fig. 3 dargestellte Detektierschaltung erläutert werden. Die an den einzelnen Komponenten dieser Detektierschaltung auftretenden Signale sind in den Impulsdiagrammen der Fig. 5 und 6 dargestellt. Fig. 5 zeigt Signale für den Fall, daß die Schwinger 1a, 1b und 1c ohne vorhandene Winkelgeschwindigkeit ω angeregt werden. Fig. 6 veranschaulicht Signale für den Fall, daß es eine Winkelgeschwindigkeit ω gibt. Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Signale entsprechen dem Zustand nach einer vorher stattgefundenen Wellenformung.

In der Detektierschaltung werden das von der Detektorelektrode 5a erhaltene Ausgangs- oder Meßsignal C und das von der Detektorelektrode 5b erhaltene Ausgangs- oder Meßsignal D von einem als Addiereinrichtung dienenden Addierer 11 addiert. An den Addierer schließt sich eine 90°-Phasenschieberschaltung 12 an, die das durch Addition erhaltene Ausgangssignal des Addierers in seiner Phase um 90° verschiebt. Anschließend erfolgt in einer Wellenformerschaltung 13 eine Formung der in der Phase um 90° verschobenen Signale von der Phasenschieberschaltung 12, um ein Vergleichssignal zu bilden. Die Fig. 5A und 5B sowie die Fig. 6A und 6B zeigen die jeweiligen Meßsignale C und D. Fig. 5C und 6C zeigen die Signale, die durch Addition der Meßsignale C und D erhalten werden. Fig. 5D und 6D zeigen die in ihrer Phase um 90° verschobenen Vergleichssignale.

Gemäß Fig. 3 wird das Meßsignal C von einer Wellenformerschaltung 14a zu einer Rechteckwelle geformt. Das Rechtecksignal wird zusammen mit dem von der Wellenformerschaltung 13 kommenden Vergleichssignal einer Phasendifferenz-Detektorschaltung (A) 15a zugeführt. Das Meßsignal D wird von einer Wellenformerschaltung 14b ebenfalls zu einer Rechteckwelle geformt, und das Rechtecksignal wird zusammen mit dem Vergleichssignal einer Phasendifferenz- Detektorschaltung (B) 15b zugeleitet. Die in Fig. 3 dargestellten Phasendifferenz-Detektorschaltungen (A) und (B) sind digitale Phasenvergleicher, die durch Exclusiv-oder-Gatter (XOR-Gatter) gebildet werden. Fig. 5E und 6E zeigen die Ausgangssignale der Phasendifferenz-Detektorschaltung (A) 15a. Fig. 5F und 6F zeigen die Ausgangssignale der Phasendifferenz-Detektorschaltung (B) 15b.

Das von der Schaltung 15a ausgegebene Phasendifferenzsignal (A) wird von einem Tiefpaßfilter (TPF) 16a zu einem Gleichspannungssignal geglättet. Das von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 15b ausgegebene Phasendifferenzsignal (B) wird von einem Tiefpaßfilter 16b zu einer Gleichspannung geglättet. Fig. 5G und 5H bzw. Fig. 6G und 6H zeigen die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter (A) und (B). Jedes Tiefpaßfilter 16a und 16b besteht aus einer Integratorschaltung.

Die von den Tiefpaßfiltern 16a und 16b erhaltenen Gleichspannungen werden einem Differenzverstärker 17 zugeleitet. Der Differenzverstärker 17 dient als Einrichtung zum Addieren der Absolutwerte von Phasendifferenzen, die von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 16a und der Detektorschaltung 15b ausgegeben werden. In anderen Worten: da die in den Meßsignalen C und D enthaltenen Coriolissignale entgegengesetzte Phasen aufweisen, läßt sich eine Phasendifferenz nachweisen, die doppelt so groß ist, wenn man die Differenz zwischen den zwei Meßsignalen ermittelt.

Das von dem Differenzverstärker 17 gewonnene Ausgangssignal wird von einem Verstärker 18 verstärkt und über ein Tiefpaßfilter 19 ausgegeben. Das erhaltene Ausgangssignal entspricht der Phasendifferenz Φ zwischen den Meßsignalen C und D, die in Fig. 10 durch ein Vektordiagramm dargestellt sind. Dieses Ausgangssignal resultiert aus dem Coriolissignal, und aus dem vorliegenden Ausgangssignal wird die Winkelgeschwindigkeit ω ermittelt.

Die Phasendifferenz-Detektorschaltung 15a ermittelt die Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal C, das in den Fig. 5A und 6A dargestellt ist, und jedem der in der Phase um 90° verschobenen Signale (der Vergleichssignale), die in Fig. 5D und 6D dargestellt sind. Außerdem vergleicht die Phasendifferenz-Detektorschaltung 15b die Wellenform der in den Fig. 5B und 6B dargestellten Meßsignale D mit dem in der Phase um 90° verschobenen Signal (Vergleichssignal) gemäß den Fig. 5D und 6D, um die Phasendifferenzen zwischen diesen Signalen zu ermitteln. Die Phasendifferenz-Detektorschaltungen 15a und 15b sind als Exclusiv- oder-Gatter (XOR-Gatter) ausgebildet. Wenn die in die Phasendifferenz- Detektorschaltungen eingegebenen Signale unterschiedliche Pegel haben, d. h. das eine Signal holen und das andere Signal niedrigen Pegel hat, liefern die Detektorschaltungen ein Signal mit hohem Pegel. Haben beide Signale entweder hohen oder niedrigen Pegel, liefern die Detektorschaltungen ein Ausgangssignal mit niedrigem Pegel.

Fig. 5 zeigt den Zustand, daß die jeweiligen Schwinger 1b und 1c zum Schwingen in X-Richtung mit gleicher Phase angeregt werden, während der mittlere Schwinger 1b gegenphasig angeregt wird, während keine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist.

Zu diesem Zeitpunkt enthalten die beiden Ausgangssignale C von der Detektorelektrode 5a und D von der Detektorelektrode 5b keine Coriolissignale, sondern nur Meßsignale aufgrund des Umstands, daß der Schwinger 1a in X-Richtung zum Schwingen angeregt wird, d. h. Nullausgangskomponenten, die in der Phase um 90° verschoben sind gegenüber dem Treibersignal. Die Phasendifferenz Φ gemäß Fig. 10 beträgt also Null, die Meßsignale C und D sind in Phase.

Dementsprechend sind die in Fig. 5E dargestellten Tastverhältnisse des Phasendifferenzsignals (A), welches von der Phasendifferenz- Detektorschaltung 15a geliefert wird, und des Phasendifferenzsignals (B), welches von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 15b geliefert wird, jeweils 50%. Aus diesem Grund haben die von den Tiefpaßfiltern 16a und 16b gelieferten Gleichstrom-Referenzsignale VREF identischen Pegel. Demzufolge liefert der Differenzverstärker 17 ein Ausgangssignal mit dem Wert Null.

Fig. 6 zeigt den Zustand, daß die einzelnen Schwinger 1a, 1b und 1c in X-Richtung zum Schwingen angeregt werden und eine Winkelgeschwindigkeit ω um die Z-Achse vorhanden ist.

Wie oben erläutert, werden in dem von der Detektorelektrode 5a des mittleren Schwingers 1a gelieferten Ausgangssignal C und dem von der Detektorelektrode 5b gelieferten Ausgangssignal D die Nullausgänge mit gleicher Phase erhalten, während die Coriolissignale der Signale C und D zueinander entgegengesetzte Phasen aufweisen. In Fig. 10 ist der Nullausgang wieder mit F0 bezeichnet, die Coriolissignale C und D sind mit FωC bzw. FωD bezeichnet. Das Meßsignal C entspricht der Summe der Vektoren F0 und FωC, das Meßsignal D entspricht der Summe der Vektoren F0 und FωD.

Wenn das Meßsignal C und D von dem Addierer 11 addiert werden, löschen sich die entgegengesetzte Phasen aufweisenden Coriolissignale C und D, d. h. die Komponenten FωC und FωD gegenseitig aus. Man erhält also ein Signal in Phase mit dem Nullausgang F0. Fig. 6C zeigt das Signal C + D, welches nicht die Phasendifferenz zwischen dem Coriolissignalen enthält. Fig. 6D zeigt das um 90° in der Phase verschobene Signal C + D.

Die Phasendifferenz-Detektorschaltung 15a erfaßt die Phasendifferenz zwischen der Vektorkomponente des Coriolissignals C, z. B. des Meßsignals C, welches in der Phase voreilt, und dem in der Phase um 90° verschobenen Vergleichssignal (entsprechend dem Signal in Fig. 6D), um dadurch eine Wellenform zu erhalten, welche gemäß Fig. 6E ein Tastverhältnis von 50% oder mehr aufweist. In ähnlicher Weise ermittelt die Phasendifferenz-Detektorschaltung 15b die Phasendifferenz zwischen dem in der Phase nacheilenden Meßsignal D und dem in der Phase um 90° verschobenen Vergleichssignal, um eine Wellenform mit einem Tastverhältnis von 50% oder weniger gemäß Fig. 6F zu erhalten. Die Fig. 6G und 6H zeigen jeweils Spannungen, die durch die Tiefpaßfilter 16a bzw. 16b erhalten werden.

Wenn der Differenzverstärker 17 eine Subtraktion zwischen der von dem Tiefpaßfilter 16a gelieferten geglätteten Spannung (VREF + Δf) und der von dem Tiefpaßfilter 16b geglätteten Spannung (VREF - Δf) durchführt, entsteht hierdurch am Ausgang des Differenzverstärkers 17 ein Signal Δf + Δf. Dies ist äquivalent zu dem Signal, welches man durch Addieren des Absolutwerts der Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal C und dem Nullausgang in Fig. 10 und des Absolutwerts der Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal D und dem Nullausgang in Fig. 10 erhält. Das heißt: jedes der Signale Δf und Δf ist äquivalent der Phasendifferenz Φ. Die Coriolissignale können anhand dieses Signals ermittelt werden, so daß sich die Winkelgeschwindigkeit ω bestimmen läßt.

Ist die Richtung der Winkelgeschwindigkeit ω entgegengesetzt, so eilt die Phase des Meßsignals C derjenigen des Signals C + D hinterher, während die Phase des Meßsignals D voreilt. Damit entspricht die von dem Differenzverstärker 17 gelieferte Spannung - (Δf + Δf). Der Absolutwert von (Δf + Δf) ist proportional zum Absolutwert der Winkelgeschwindigkeit ω.

Als nächstes wird eine in Fig. 4 dargestellte Detektierschaltung erläutert.

In der Detektierschaltung wird das von der Detektorelektrode 5a gelieferte Meßsignal C von einer Wellenformerschaltung (A) 21a und wird das von der Detektorelektrode 5b gelieferte Meßsignal D von einer Wellenformerschaltung (B) 21b geformt. Fig. 7, 8 und 9 zeigen Wellenformen an den jeweiligen Komponenten der Detektierschaltung nach Fig. 4. Fig. 7a, 8a und 9a, und die Fig. 7b, 8b und 9b zeigen die Signale, die durch Wellenformung der Meßsignale C und D erhalten werden.

Die von den Wellenformerschaltungen 21a und 21b erhaltenen Rechtecksignale werden einer Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 zugeführt, die die Phasendifferenz zwischen den Meßsignalen C und D ermittelt. Die von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 gelieferte Wellenform wird von einem Tiefpaßfilter 23, welches eine Integratorschaltung enthält, geglättet, und diese Spannung wird von einem Verstärker 18 verstärkt, um dann über ein Tiefpaßfilter 19 als Ausgangssignal ausgegeben zu werden. Die Fig. 7C, 8C und 9C zeigen die von der Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 gelieferten Wellenformen. Fig. 7D, 8D und 9D zeigen die von dem Tiefpaßfilter 23 gelieferten Spannungen.

Die Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 nach Fig. 4 ist ein Phasenvergleicher. Wenn die Meßsignale C und D gemäß Fig. 7 in Phase sind, hat das Phasendifferenzsignal ein Tastverhältnis von 0% und bleibt unverändert auf dem Pegel von VREF. Dementsprechend bleibt auch das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 23 auf dem Pegel VREF. Fig. 7 zeigt den Zustand, daß die Schwinger 1a, 1b und 1c in Richtung der X-Achse zum Schwingen angeregt werden, während keine Winkelgeschwindigkeit ω vorhanden ist.

Wenn gemäß Fig. 8 eine Winkelgeschwindigkeit ω auf den Schwingkörper 1 einwirkt und die in Fig. 10 dargestellten Coriolissignale C und D (Fωc und FωD) einander überlagert werden, so daß das Meßsignal C dem Nullausgang F0 in der Phase vorauseilt, während das Meßsignal D dem Nullausgang F0 in der Phase nacheilt, ergibt sich am Ausgang der Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 eine Rechteckwelle, die mit der Vorderflanke des Meßsignals C ansteigt und mit der Vorderflanke des Meßsignals D abfällt, wie in Fig. 8C gezeigt ist. Die von dem Tiefpaßfilter 23 gelieferte Gleichspannung ist um ΔF gegenüber der Spannung VREF erhöht. Dieser Wert ΔF entspricht der Phasendifferenz Φ zwischen dem Meßsignal C und dem Meßsignal D in Fig. 10.

Fig. 9 zeigt den Zustand, daß die Winkelgeschwindigkeit ω einen entgegengesetzten Drehsinn aufweist. In diesem Fall läuft die Phase des Meßsignals C dem Nullausgang hinterher, während das Meßsignal D dem Nullausgang in der Phase vorauseilt. Das Ausgangssignal der Phasendifferenz-Detektorschaltung 22 fällt mit der Vorderflanke des Meßsignals D und steigt mit der Vorderflanke des Meßsignals C an. Das von dem Tiefpaßfilter 23 gelieferte Ausgangssignal entspricht dem Wert VREF - ΔF gemäß Fig. 9D. Dieser Wert ΔF ist äquivalent der oben erwähnten Phasendifferenz Φ.

Man kann also auch mit der in Fig. 4 gezeigten Detektierschaltung die Corioliskraft anhand der gewonnen Spannung ΔF ermitteln, um daraus die Winkelgeschwindigkeit ω zu erhalten.

Erfindungsgemäß werden die auf der Corioliskraft beruhenden Ausgangssignale, die von dem Paar von Detektierausgabeeinrichtungen erzeugt werden, einander in der Phase überlagert, wenn keine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist, und sie werden bei vorhandener Winkelgeschwindigkeit phasenverschoben überlagert. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Meßsignalen C und D wird ermittelt. Deshalb erhält man eine große Phasendifferenz Φ, was einer erhöhten Meßempfindlichkeit entspricht.

Selbst wenn die Stärke (die Amplitude) des Nullausgangs aufgrund von Temperaturdrift oder dgl. schwankt, hat dies keinen Einfluß auf die Nachweisgenauigkeit, wenn sich nicht die Phasendifferenz zwischen den Meßsignalen ändert.

Bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten Beispielen wird die Phasendifferenz zwischen den Meßsignalen elektrisch als digitales Signal durch die Phasendifferenz-Detektorschaltung in Form eines Exclusiv- oder-Gatters oder dgl. verarbeitet, so daß sich die Phasendifferenz digital feststellen läßt. Dadurch ist es möglich, die Verstärkung von Analogschaltungen zu reduzieren und damit den Einfluß von Drifterscheinungen zu verringern.

Außerdem entfällt das Trimmen der Schwinger 1a, 1b und 1c zur Amplituden-Justierung, wie es bei einem Amplitudendetektiersystem erforderlich ist.

Gemäß obiger Beschreibung ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Nachweisen von auf Corioliskraft zurückzuführenden Schwingungskomponenten durch die Phasendifferenz den Nachweis dieser Phasendifferenz mit hoher Empfindlichkeit im Vergleich zum Stand der Technik. Überflüssig ist die extreme Steigerung der Verstärkung von Analogschaltungsteilen, Einflüsse von Drifterscheinungen werden vermieden.

Claims (5)

1. Schwingkreisel, umfassend:
einen Schwinger (1);
eine Treibereinrichtung (2, 3), die den Schwinger (1) in eine vorbestimmte Richtung zu Schwingungen anregt;
eine Detektiereinheit (5a, 5b; 11-14) zum Abgeben von Schwingungskomponenten als elektische Signale;
wobei die Detektiereinheit (5a, 5b; 11-14) paarweise Detektierausgabeeinrichtungen (5a, 5b) aufweist, mit denen aufgrund einer Corioliskraft eine Phasendifferenz erzeugt wird, wenn der Schwinger einer Winkelgeschwindigkeit ausgesetzt ist; und
eine Einrichtung (15a, 15b) zum Bilden der Phasendifferenz der von den Detektierausgabeeinrichtungen gelieferten Ausgangsgrößen;
wodurch die Winkelgeschwindigkeit anhand der von der Phasendifferenz-Bildungseinrichtung erzeugten Ausgangsgröße ermittelt wird.

2. Schwingkreisel nach Anspruch 1, bei dem die paarweisen Detektierausgabeeinrichtungen Elektroden (5a, 5b) sind, die auf voneinander in Treib- und Schwingungsrichtung beabstandeten Seiten bezüglich der Mitte des Schwingers angeordnet sind.

3. Schwingkreisel nach Anspruch 2, bei dem das Elektrodenpaar auf dersel­ ben Fläche des Schwingers (1) gebildet ist.

4. Schwingkreisel nach Anspruch 1, bei dem der Schwinger (1) in seiner Ge­ samtheit aus einem piezoelektrischen Material besteht und die Detektier­ ausgabeeinrichtungen durch Elektroden auf der Oberfläche des piezoelek­ trischen Materials gebildet sind.

5. Schwingkreisel nach Anspruch 1, umfassend:
eine Vergleicher-Einrichtung (11-13) zum Bilden eines Vergleichs­ signals aus den von dem Paar von Detektierausgabeeinrichtungen er­ zeugten Ausgangsgrößen,
eine erste Phasendifferenz-Detektorschaltung (15a) zum Bilden der Phasendifferenz zwischen der von der einen Detektierausgabeeinrich­ tung erzeugten Ausgangsgröße und dem Vergleichssignal;
eine zweite Phasendifferenz-Detektorschaltung (15b) zum Bilden der Phasendifferenz zwischen der von der anderen Detektierausgabeein­ richtung erzeugten Ausgangsgröße und dem Vergleichssignal; und
eine Addier-Einrichtung (17) zum Addieren der Absolutwerte der Pha­ sendifferenz, die von der ersten und der zweiten Phasendifferenz-Detektorschaltung (15a, 15b) erhalten werden, wodurch die Winkelgeschwindig­ keit anhand des erzeugten Summensignals nachgewiesen wird.