DE2905055A1

DE2905055A1 - Akustischer kreisel

Info

Publication number: DE2905055A1
Application number: DE19792905055
Authority: DE
Inventors: Jun Edward J Loper; David D Lynch
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1979-02-08
Publication date: 1979-11-29
Also published as: GB2021266A; SE443449B; NL7901349A; FR2426888A1; GB2021266B; DE2905055C2; CA1092393A; JPS6315528B2; FR2426888B1; JPS54153970A; US4157041A; SE7901541L

Description

Akustische Kreisel der hier in Betracht kommenden Art sind beispielsweise durch die US-PSn 3 625 067 , 3 656 354 3 678 762 und 3 719 074 bekannt«

Sie sind vorteilhaft für Nawigationsgeräte

einsetzbar«

Derartige Kreisel enthalten einen Hochfrequent schwinger, vorzugsweise halbkugelförmiger Gestalt, der , in einem elliptischen Schwingungsbild in einer Ebene schwingt, die senkrecht ΪΪΧΕΚ. zu einer durch den Pol der Halbkugel gehenden Eingangsachse liegt» Bei einer Drehung des Schwingers um diese Eingangsachse ergibt sich eine Rotation¹ des Schwingungsbildes, die zum rä&heitsraum etwa 72$ der Eingangsdrehzahl beträgt. Der Schwinger weist zwei Hauptachsen auf, die zueinander um 45 versetzt sind. Infolge ungleichmässiger Wandstärken des Schwingers können die Eigenfrequenzen in Bezug auf diese Achsen ungleich sein. Das elliptische Schwingungsbild vibriert daher im Bereich der einen Achse mit einer anderen -Frequenz als in der anderen Achse« Bei Lagen zwischen den Achsen überlagern sich beide Frequenzen»

Um eine vorgegebene Amplitude des Schwingungsbildes aufrecht zu erhalten ist ein Ersatz der durch die Schwingung aufgezehrten Energie erforderlich» Dies kann gemäss der US-PS 3 719 074 durch einen parametrischen

WW

Antrieb des Schwingers bewirkt werden, in/ ein Paramater

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auf den doppelten Wert der Eigenfrequenz des Systems moduliert wird, um die Dämmung zu überwinden«, In der erwähnten Patentschrift ist dies näher erläutert„

Es wurde "bisher aber offensichtlich nicht erkannt, dass ein erheblicher Driftfehler eingeführt wird, wenn die Schwingungskomponenten in den beiden Achsen un- gleiche Phase haben, da der parametrische Antrieb vorwieg gend auf diese Komponenten Einfluss hat_e Arbeitet der Kreisel integrierend, so summieren sich die Ungenauigkeiten laufende

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,

einen akustischen Kreisel dieser Art so weiter auszuge- · staltenj dass er bedeutend genauer arbeitete

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchem_o

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung wird ein Schwingen des Schwingers mit einer einzigen Frequenz in gleicher Phase der Schwingungskomponenten in den Achsen aufrechterhalten, wodurch die bisher üblichen Fehler ausgeschaltet sind ο Die einzige Frequent muss hierbei nicht konstant sein, sondernfsich während der Rotation:: des Schwingungsbildes ändern.

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In den Zeichnungen ^^s^ ^e^-ⁿ AusführungsbeispieL der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen akustischen Kreisel nach der -Erfindung nach der Linie 1-1 in Figo 6 geschnitten,

Fig, 2 eine Ansicht von unten auf ^±g_e 1

mit zum ^eil weggebrochenen Teilen,

Fig. 3 eine Ansicht von oben von Fig_e 1 mit zum •'-'eil weggebrochenen ^eilen,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 1 mit zum eil weggebrochenen Seilen,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Treibergehäuses des akustischen Kreisels,

Fig. 6 eine Ansicht in Richtung der Pfeile nach Linie 6—6 in Fig_e 5 gesehen,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der

Anordnung von Elektroden des akustischen Kreisels,

Fig. 8 ein Blockdiagramm der Signale bildenden und die Steuerung bewirkenden Kreise und

Fig. 9 and 9A ein detailliertes Blockdiagramm eines Teils der Kreise gemäss Fig_e8.

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Der akustische Kreisel 10 des Ausführungsbeispiels ist ein einachsiges Instrument mit einem halbkugelförmigen trägheitsempfindlichen Schwinger 12, der einen im Pol der Halbkugel sitzenden Zapfen 14 hat« Der Schwinger 12 besteht aus geschmolzenem Quarz '&£t ist in Richtung seiner Länge in Umfangsrichtung möglichst gleichmässig ausgebildet. Der Schwinger wird von einem Treibergehäuse 16 getragen, das ebenfalls aus geschmolzenem Quarz bestelrt.

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Das Treibergehäuse 16 hat eine zentrale Bohrung/zur Aufnahme des Zapfens 14 des Schwingers 12, wobei der Zapfen mit der Wandung der Bohrung durch eine silberimprägnierte Fritte verbunden ist« Das Treibergehäuse 16 ist mit Treiberelektroden aus Chrom versehen, die auf kuglige Flächen des -Treibergehäuses aufplattiert sind (Mg, 5 "und 6)„ Die Treiberelektroden bestehen aus einer zentralen, ringförmigen Treiberelektrode G und 16 einzelnen Treiberelektroden ΙΊ bis Έ 16, von denen·=· einige durch eine Schaltkarte 20 aus Quarz miteinander verbunden sind, wozu diese 6 Kontaktringe R1 bis R6 aufweist. Jeder dieser Kontaktringe verbindet je eine Anzahl der einzelnen Treiberelektroden durch Löcher 22, die sich durch die Schaltkarte 20 erstrecken und deren Wandung mit einem elektrisch leitenden -^elag versehen sindo Wie noch beschrieben wird, werden die Treiberelektroden P1 und F9 zum Anfachen der Schwingung des Schwingers bei Betriebsbeginn benutzt. Während des Betriebes werden die Treiberelektroden in durch je 90° phasenverschobene- Gruppen geschaltet, die

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die Phasensteuerung des Kreisels bewirken,,

Die Innen- und Aussenflache des Schwingers si mit Ausnahme des Glockenrandes mit Chrom plattiert» Die elektrische Verbindung mit der Aussenflache des Schwinger 12 erfolgt über die Wandung der Bohrung 18 und eine Bohrung 24 im Zapfen 14 des Schwingers_o Die elektrische Verbindung der Innenfläche des Schwingers 12 erfolgt über die chromplattierte Aussenflache des Zapfens 14 zur chromplattierten Aussenflache 26 des Treibergehäuses 16 und die plattierte Fläche einer Bohrung 28 (5¹Ig₀I,!? und 6)β Die elektrische Verbindung zur zentralen Treiberelek— trode C erfolgt über die plattierte Fläche einer Bohrung 3Oe Die elektrische Verbindung ^zu ^ ^der einzelnen Treiberelektroden erfolgt unmittelbar durch Bohrungen 32 bis 42 (Fig_e 1 und 2), mit denen die übrigen Treiberelektroder über die Kontaktringe verbunden sind« Die Bohrungen 18, 28, 30 und 32 bis 42 sind durch Deckel 44 bis 60 herme« tisch verschlossen, nachdem um den Schwinger 12 eine geeignete Atmosphäre geschaffen ist„

Der akustische Kreisel hat ferner einen Abtaster, der ein Abtastergehäuse 64 aus geschmolzenem Quarz enthält. Dieses Gehäuse enthält Bohrungen zur Aufnahme von acht voneinander getrennten Quarzstäben 66 bis 80, von denen jeder eine aus Chrom bestehende Abtastelektrode P1 bis P8 (Fig.4) trägt, die an einer kugligen Fläche aufplattiert sind« Das Abtastergehäuse 64 ist mit dem Treibergehäuse 16 über einen tragring 90 verbunden»

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Die elektrische Verbindung zu den einzelnen Abtastelektroden P1 bis P8 erfolgt über die plattierten Flächen 92 von in jeder Quarzstange 68 bis 80 vorgesehenen Schlitzen 94 (Figo2)„ Die plattierte Fläche 92 ist mit einem Leiter 96 verbunden, der durch ein Loch 98 eines Deckels 100 tritt und mit einer plattierten Fläche 102 an dessen Aussenfläche verbunden ist (Figd) Mit letzterer sind nicht dargestellte Ausgangsleiter verbunden. Ein Deckel 104 verschlisst d4e Loch 98 hermetisch,, Die Qußijstangen 66 bis 80 sind mit den Wandungen der Bohrungen im Abtastergehäuse 64 durch einen elektrisch lefteirnden Werkstoff verbunden, der eine die Abtasterelektroden P1 bis

1Θ0/

P8 umschliessende Schutzhaube/darstellt» Der Deckel 100 verschliesst die die Quarzstäbe 66 bis 80 aufnehmenden Bohrungen hermetisch«,

Die Abtastelektroden P1 bis P8 haben gleiche Flächen und weisen gleiche Spalte zum Schwinger 12 auf, so dass zwischen diesen gleichgrosse äpazitäten bestehen. Die Innenfläche des Schwingers 12 liegt hierbei an Masse, während die Aussenfläche auf einer Gleichspannung von beispielsweise 90 Volt gehalten wird₀ Die Spannung an den Abtastelektroden P1 bis P8 ist von dem Spannungsabfall im Spalt zum S_chwinger abhängig, wenn diser schwingt, Ändert sich hierbei beispielsweise der Spalt zu einer Abtastelektrode um 1^ so wird 1$ der Spannung des Schwing gers nit der Abtastelektrode gekuppelt» Das Signal an der Abtastelektrode wird verstärkt und zur Schutzkappe

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106 rückgekoppelt, um Leckagen zwischen den Abtastelektroden und den anderen elektrischen Kreisen zu verhindern,,

Der Schwinger 12 wird durch Zuleiten einer periodischen Spannung zu den Treiberelektroden F1 und F 9 zu einer Schwingung mit elliptischen Schwingungsbild angefacht. Wir Fig. 7 zeigt, liegen die Abtastelektroden P1 und P5 sowie die Treiberelektroden F1 und F9 in einer Achse A, und die Abtastelektroden P3 und P7 sowie die Treiberelektroden F5 und F13 in einer Achse -A₀ Beide Achsen A und -A werden künftig als Achsengruppe A bezeichnet. Die Abtastelektroden P2 und P6 sowie die Treiberelektroden F3 und ΙΊ1 liegen auf einer Achse A¹, während die Abtastelektroden P4 und P8 sowie die Treiberelektroden F7 und FI5 auf einer Achse-Α¹ liegen. Beide Achsen A¹ und -A¹ werden künftig als Achsengruppe A- bezeichnet. Die beiden Achsengruppen A und A¹ sind 45° zueinander versetzt Der Schwingungsbauch des elliptischen Schwingungsbilds können in einem beliebigen Winkel © zur Achsengruppe A¹ im Schwinger 12 liegen« Befindet sich das Schwingungsbild genau in der AchsengruppeA, so bestimmt die Achsengruppe A¹ die Hauptkomponente des Schwingungsbildes. In gleicher Weise bestimmt die Achsengruppe A diese Hauptkomponente, wenn das Schwingungsbild genau in der Achsemgruppe A¹ liegt, liegt aber das Schwingungsbild in einer anderen Achse, die in einem Winkel θ zur Achsengruppe A¹ versetzt ist, so sind die Hauptkomponenten in der Achsengruppe A sin 2 Q und in der Achsengruppe A¹ cos 2 Θ. Bei schwingen-

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dem Schwinger 12 erscheint an den Abtastelektrode!! P1,P5 und P3,P7 ein sinusförmiges Signal, dessen Amplitude proportional sin 2 θ ist= An den Abtastelektroden P2,P6 und P4,P8 erscheint ebenfalls ein sinusförmiges Signal, dessen Amplitude proportional cos 2 © ist» Diese Signale werden benutzt um die Lage G des Schwingungsbildes zu idsBtifizieren_e Sie werden ausserdem zur Bildung von Steuersignalen benutzt, die der zentralen Treiberelektrode C zugeleitet werden, um einew-orgegebenee Amplitude des Schwingungsbildes aufrechtzuerhalten, und ferner zur Phasensteuerung, um die Hauptkomponenten längs der Achsengruppen A und A¹ zueinander in Phase zu halten, wozu die Signale gewissen Einzeltreiberelektroden zugeleitet werden_e Die Trt-iberelektroden P2, P6, PIO und Ji4 sind um 22,5° zur Achsengruppe A versetzt angeordnet, wobei die Achsen B und -B eine Achsengruppe B bilden,. Die Treiberelektroden P4,P8 und F12,P16 sind zur Achsengruppe A¹ 22,5 versetzt in Achsen B-* bzw_o -B¹ angeordnet, die eine Achsengruppe B¹ bilden_β

Unter Bezugnahme auf Pig. 8 werden die Abtast mit/
am/d

elektroden gemeinsam/dem Eingang eines Pufferverstärkers"^ verbunden, dessen Aasgang mit dem nichtumkehrenden Eingang eines Differentialverstärkers 112 und dem umkehrenden Eingang eines Differentialverstärkers 114 verbunden istβ Die Abtastelektroden P3 und P7 sind gemeinsam mit dem Eingang eines Pufferverstärkers 116 verbunden, dessen

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Ausgang mit dem umkehrenden Einga_ng des Diff erentialver-> stärkers 112 und dem nichtumkehrenden Eingang des Digferen tialverstärkers 114 verbunden ist« Die Signale der Abtastelektroden P1 und P5 sind gleich gross. Auch die Signale der Abtastelektroden P3 und P7 sind gleich gross, jedoch 180° phasenverschoben zu denen der Abtastelektroden P1 und P5. Das differentielle Summieren dijser Signals liefert ein Ausgangssignal A , dass der doppelten Amplitude der Signale der Abtastelektroden P1 und P 5 hat und ein elektrisches Analog für die radiale mechanische Verlagerung längs der Auhsengruppe A darstellt. Das Signal A hat die Form A sin 2 O sinCot, worin A sin 2 θ die Amplitude der Schwingungskomponete längs der Achsengruppe A' und O der Winkel des Schwingungsbildes zur Achsengruppe A' ist.

Die Signale der Abtastelektroden P2 und P6 werden dem Eingang eines Pufferverstärkers 118 zugeleitet, dessen Ausgang mit dem nichtumkehrenden Eingang eines Differntailverstärkers 120 und dem unjkehrenden Eingang eines Differnetialverstärkers 122 zugeleitet wird₀ Die Abtastelektroden P 4 und P8 sind gemeinsam mit dem Eingang eines Pufferverstärkers 124 verbunden, dessen Ausgang mit dem umkehrenden Eingang des Differentialverstärkers 120 und dem nichtumkehrenden Eingang des Diffenrentialverstär· kers 122 verbunden ist„ Hierdurch wird ein Ausgangssignal A₀ ¹ gebildet, das der mechanischen Verlagerung längs der Achsengruppe A¹ proportional ist₀ Das Signal A · hat die Form A_n cos 2 θ sin&Jt, worin A_n cos 2 θ die Ampli-

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tude der S_ehwingung längs der Achseriigruppe Α« ist₀ Die Signals -A₃ und -A₃» sind Spiegelbilder der Signale A₃

bzw,, A -K Die Ausgänge der erstärker 110, 116, 118 und

124 werden auch zur Versorgung der Schutzkappen verwendet, die die Abtastelektroden umgeben, um kapazitive Verluste und Kupplunpeffekte zwischen benachbarten Flächen der Abtastelektroden und unter Massepotential liegenden Flächen zu unterbinden« Die Signale +A₃ und+ A₃« gehen in einen Kreis 126 ein, der die Schwingungsbewegung des Schwingers in einer Frequenz mit vorgegebener Amplitude aufrechterhält und dafür sorgt, dass die Schwingungskomponenten längs der Achsengruppem A und I¹ in Phase zueinander bleiben. Es werden hierzu den Treiberelektroden F1 bis F16 Signale zugeleitet. Die Signale + A₃ und +A₃' werden auch einem Gompui^r 128 zugeleitet der den Winkel Q der Lage des Schwingungsbildes ermittelt.

In den Figo 9 und 9ä ist der Kreis 126 detailliert veranschaulicht,, Die Signale A₃ und A_g' werden einem Mittler 129 zugeleitet, der ein G-leichspannungsausgeiÄg gangssignal liefert, das der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der Eingangssignale ist, dh_e die Vektorsumme dieser Signale darstellt. Der Zweck dieses parametrischen Kreises ist das Aufrechterhalten einer konstanten Amplitude des Schwingungsbildes. Zu diesem Zweck wird der Ausgang des Mittlers 129 in einem Vergleicher 150 mit einer Bezugsspannung A₀ verglichen, die die vorgegebene Amplitude des Schwingungsbildes darstellt„Ein dort auftretendes

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Fehlersignal wird einem Verstärker und Kompensationskreis 132 zugeleitet, der die Amplitudensteuerschleife stabilisiert. Der Ausgang des Kreises 132 steuert einen Treiber 134, der zwischen der Aussenflache des Schwingers 12 und der zentralen Treiberelektrode G von einer Spannungsquelle 136 eine Spannung von O bis 400 Volt (Gleichspannung) zuteilt, deren Grosse von dem vorliegenden ehlersignal abhängt» Die der zentralen Treiberelektrode C zugeleitete Spannung ist ausreichend ,um die Größe der Vektorsumme der S_chwingskomponenten längs der Achsemgruppen A und A^! der Bezugsampliifcude gleich zu halten« Die Spannung wird der zentralen Treiberelektrode mit einer Frequenz von 2(0 zugeleitet, wobei 63 eine von Mittelwerten der Frequenzen der Signale A und A ' abhängigen Lage des Schwin-

S S

gungsbildes darstellt. Das der zentralen Elektrode 0 zugeleitete Signal übt auf den Schwinger eine Pumpwirkung aus, durch die infolge der Schwingung verloren gegangene Energie ersetzt wird. Ein Bezugssignal mit einer Frequenz von(O wird von einem phasengekuppelten Kreis 138 geliefert, der einen Phasenfühler 144, ein. Filter I46, einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 148 und einen teiler 150 enthält. Auf dem Ausgang des Teilers 150 spricht ein logischer Kreis 152 an, um ein Rechtecksignal von 2 co , Prüfpulse bei 0° und 180 Durchlauf des ^eζugssignals und Phasensignale bei 0, ^JL/4 , ^Λ/2 und K zu bilden, die für Demodulationszwecke nützlich sind«

Wie bereits erwähnt ist die Frequenz des Be-

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zugssignals ein Mittelwert der Frequenzen der Signale A

und A *o Den grösseren -Einfluss hat hierbei das Signal s ~ -

grösserer Amplitude«, Es werden h|g/i.rzu die Quadrate der Signale A und A_s ^r in Bezug auf das Bezugssignal ermittel

S S

undoo so eingestellt, dass die Summe der Quadrate der Signale A₀ und A ' in ihren Komponenten Null wird« Es werden die Signale A , -A₀, A ' und ~A ^f jeweils züge-

SSS S

ordneten Abfühlern 160 bis 166 zugeleitet, die Prüf-und Haltekreise darstellen und eine Gleichspannung liefern, die den Quadratwert der Eingangswerte beim Durchlauf der 0° und 180° Stellung des ^ezugssignals darstellen. Die Ausgänge der Abfühler 160 und 162 werden in einem Summier punkt 168 vereinigt, in einem Verstärker 170 gefiltert und verstärkt, um ein Signal SIN QUAD zu bilden, das die Phasena^weichung des A -Signals zum -^ezugssignal darstellte In gleicher Weise werden die Ausgänge der Abfühle: 164 und 166 in einem Summierpunkt 172 vereinigt und in einem Verstärker 174 gefiltert und verstärkt, um ein Gleichspannungssignal COSQUAD zu bilden, das die Phasenabweichung des Signals A · vom Bezugssignal anzeigte

Die Signale A₀ und A ' werden ferner einem Quadrantab-

S S

fühler 176 zugeleitet, der Demodulatoren 178 und 180, Filter 182 und 184, "Vergleicher 186 und 188 sowie einen logischen Kreis 190 enthält« Der Quadrantabfühler 176 steuert die Polarität ändernde Schalter 192 und 196_β Das abgefühlte Signal SIN QUAD wird umgekehrt, wenn sich das Schwingungsbild im 3« oder 4«Quadranten befindet.

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In gleicher Weise "bewirken Schalter 194 und 198 ein Umkehren des Signals GOS QUAD, wenn das Schwingungsbild im 2. oder 3.Quadranten ist. Me Signale SIF QUAD und COS QUAJD werden einem Addieren 200 zugeleitet, der ein QUADZ-Signal liefert, das einem Verstärker und Schleifenkompensationskreis 202 zugeleitet wird, der eine integrale und proportinale Steuerung zur Sicherung der Stabilität des Frequenzsteuerschleife "bewirkt. Der Ausgang des Kreises 202 ist
über einen Schalter 204 mit dem Oszillator 148 verbunden, Dieser Schalter wird nach der Anlaufperiode eingeschaltet«, Da der Pegel der Signale SIN QUAD und COS QUAD eine Funktion der Signale A₃ bzw« A_g ^f ist, erfolgt die Einstellung des Oszillators unter Bevorzugung der Frequenz des grössereB. dieser Signale.

Eine Korrektur eines Phasenfehlers erfiigt
durch Zuleiten einer Gleichspannung zu den vier Treiberelektroden, die in den Achsengruppen A,A¹,B und B* liegen Es kann nachgewiesen werden, dass das Anlegen einer GIeiel spannung an einen Satz von vier senkrecht zueinander angeordneten Elektroden wie eine negative Feder wirkt und
die Frequenz der Bewegung verringert in der Achse, in
der die Spannung angelegt wird. Zur Steuerung der Phase
von A in Bezug zu A* bei in der Achse A liegenden Schwingungsbild muss eine Gleichspannung längs der Achsen B ode: B¹ erfolgen, je nachdem ob A¹ gegenüber A nach-oder voreilte Ist das Scfewingungsbild beispielsweise in der
Achse A bei gegenüber A voreilendem A¹, muss die Gleich-

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spannung in B angelegt werden, um die Frequenz der B-Komponente der Schwingerbewegung zu verringern, wodurch der Phasenfehler von A' verringert wird,, Die Höhe der anzule-> genden Spannung ist vom Phasenfehler abhängig und von der Lage des Schwingungsbildes_β

Der Phasensteuerkreis enthält einen Addierer 210, der einen Ausgang QUADAIiefert, welcher der Differenz der Quadratwerte der Signale A_g und A_g' ist, also der Differenz zwischen SIF QUAD und COSQUAD ist. Das Vorzeichen des Signals QUAD&wird willkürlich festgesetzt, und zwar positiv wenn GOS QUAD grosser als SIN QUAD ist, und negativ, wenn SIN QUAD grosser als COS QUAD ist· Das Schalten bewirken die Schalter 194 und 198„ Im ersten Quadranten wird das Signal SIN QUAD umgekehrt und mit dem nicht umgekehrten Signal COS QUAD vereinigt«, Im zweiten Quadranten werden beide Signale nicht umgekehrt und addiei Im dritten Quadranten wird das Signal COS QUAD umgekehrt und mit dem nicht umgekehrten Signal SIN QUAD summiert, Im vierten Quadranten werden beide Signale umgekehrt und zusammenaddiertο Der Ausgang des Addierers 210 ist somit stets die Differenz der Quadratwerte und ist positiv, wenn COS QUAD der grössere und negativ, wenn SIN QUAD der grössere Wert ist« Dieses QUADΔ-Signal wird einem Yerstärker und Schleifenkompensationskreis 212 zugeleitet, um die Schleife zu stabilisieren und gelangt dann zum einen Eingang von j&XXSXX Multiplikatoren 216 und 218. Der andere Eingang der Muliplikatoren 216 und 218, nämlich

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für die ^Xatsache, dass die dem Schwinger zugeleitete Kraft dem Quadrat der zugeleiteten Spannung an den Treiberelektr< den ist, wobei berücksichtigt ist, dass die Lage des Schw:.ngungsbilds die bestimmten Elektroden zuzuleitende Spannung beeinflusst, um Phasenfehler auszuschalten,, Die zweiten Eingänge zu den Multiplikatoren werden zweckmässig vom Computer 128 geliefert. Die Ausgänge der Multiplikatoren steuern den Anteil der 400-Voltspannung die den Treiberelektroden zugeleitet werden, und zwar vom Multiplikator 216 über Treiber 220,222 und 224 zu den in Achse A liegenden Treiberelektroden F1, F5, F9,F13 und den in der Achse A« liegenden ^fJ-'reiberelektroden F3, F7, Ϊ11 und F151 und vom Multiplikator 218 über Treiber 226 und 228 zu den in der Achse B liegenden Treiberelektroden I¹ 2, F6, F10 und F14 bzw. den in der Achse B¹ liegenden Treiberelektroden F4, F8, F12 und F16. Der Ausgang des Multiplikators 218 wird hierbei je nach dem Vorzeichen des Signals einer der beiden-Gruppen zugeleitet» Dieser Ausgang wird über einen Umkehrer 230 dem Treiber 228 zugeleitet, so dass dieser bei negativem Ausgang des Multiplikators anspricht„ Der "^reiber 226 arbeitet dagegen bei positivem Ausgang des Multiplikators 218_e In gleicher Weise ist dem Multiplikator 216 ein Umkehrer 232 zugeordnet, so dass der Treiber 224 die Treiberelektroden in der Achse A¹ bei jfigXI negativen Ausgang des Multiplikators versorgt, während bei positiven Ausgang der andere Satz Treiberelektroden

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- 21 wirksam ist«

Zum Anfachen der Schwingung des Schwingers wird die Spannungsquelle 136 periodisch über den Treiber 220 mit den Treiberelektroden F1 und F9 verbunden« Ein Vergleicher 240 vergleicht die durch den Mittler 129 erfasste Amplitude mit einer Bezugsspannung. Solange die Amplitude der Schwingung unterhalb des Bezugswerts bleibt, bleiben die Schalter 242 und 244 geschlossen, während der Umkehrer 246 den Schalter 204 offen hält. Damit wird das Signal A₀₁ der phasengekuppelten Schleife 138 und dem Phasensteuerkreis 248 zugeleitet, der das Eingangssignal umschaltet, so dass der Ausgang des Treibers 220 dem Signal A um 45° voreilt_e Der Treiber 220 spricht nur auf positive Signale an, so dass die Spannungsquelle 136 nur mit den Treiberelektroden I¹I und F9 in der positiven Halbwelle des Signals A verbunden ist, wodurch die bereits früher erwähnte Pumpwirkung eintritt, die die natürliche Schwingung des Schwingers in der Achse der Treiberelekroden I¹I und F9 unterstützt Hierdurch wird fel die Amplitude der Schwingung auf einen Spitzenwert von 4,3 Volt Gleichspannung erhöht» Danach wird der Oszillator vom QUAD^L-Signal gesteuert und die Amplitude des Schwingers durch den Ausgang des Treibers 134 konstant gehalten.

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung wird die Schwingung des Schwingers mit einer vorgegebenen Amplitude mit einer einzigen Frequenz und Phase unabhängig von der Lage des Schwingungsbildes aufrechterhalten.

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Der so ausgebildete akustische Kreisel hat ei ne sehr kleine Drift und einen konstanten Maßstabbeiwert zwischen der Eingangsdrehung und der Winkelablesung, so dass ein sehr genaues ü-erät erstellt werden kann.

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Leerseite

Claims

8.Februar 1979 W-w-3313

General Motors Corporation. Detroit , Michigan, VoSt₀A₀

Aku s t i s c he r Krei se1

Patentansprüche:

1y Akustischer Kreisel mit einem Schwinger, der in einer Drehachse abgestützt mit einem in einer senkrecht zu dieser liegenden Ebene befindlichen Schwingungsbild schwingt, dadurch g e k e η η ζ e i ch-η e t , dass Einrichtungen (126) vorgesehen sind, die auf die Phase von Schwingungskomponenten in um einen vorgegebenen Winkel zueinander versetzten, zur Drehachse senkrechten ersten und zweiten Achsen (A und A^f) ansprechen und Kräfte auf den Schwinger (12) auslösen, die Phasenfehler zwischen den Schwingungskomponenten eliminieren, so dass der Schwinger in einer Frequenz in einer Phase unabhängig von der Lage des Schwingungsbildes schwingte

2o Akustischer Kreisel nach Anspruch 1, mit Einrichtungen zum Aufrechterhalten einer vorgegebenen Amplitude der Schwingung des Schwingers und Einrichtun-

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gen zum Abtasten der Lage des Schwingungsbildes, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Phase der Schwingungskomponenten in den vorgegebenen ersten und zweiten Achsen (A und A^r) ansprechenden Einrichtungen (126) eine Kraft auf den Schwinger (12) in einer oder mehr von vier Achsen ausüben, zu denen die ersten unf zweiten Achsen und von diesen um den halben vorgegebenen Winkel zwischen den ersten und zweiten Achsen versetzte Achsen (B und B') gehören.

3. Akustischer Kreisel nach Anspruch 1 oder bei dem der Schwinger in einem elliptischen Schwingungsbild schwingt, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Winkel zwischen den ersten und zweiten Achsen (A und A') 45° beträgt«,

4o Akustischer Kreisel nach Anspruch 3, mit einem halbkugelförmigen Schwinger und durch den Pol gehender -Drehachse, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Phase der Schwingungskomponenten ansprechenden Einrichtungen (126) eine Schwingung mit elliptischem Schwingungsbild mit vorgegebener Amplitude und einer Frequeni, die der Vektorsumme der Eigenfrequenzen des Schwingers in den ersten und zweiten Achsen entspricht, aufrechterhalten, und Steuereinrichtungen auf Schwingungen des Schwingungsbildes ansprechen und bestimmten Stellen des Umfangs des Schwingers (12) eine negative federkraft aufdrücken, die die Schwingung in den Achsen phasengleich hält.

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5» Akustischer Kreisel nach Anspruch 4, mit Einrichtungen zum Anfachen einer Schwingung mit elliptischem Schwingungsbild, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die das SchwingungsMld in den 45° zueinander versetzten ersten und zweiten Achsen (A und A¹) durch elektrische Signale erfassen, durch auf diese Signale ansprechende Einrichtungen, die eine parametrische Kraft auf den Schwinger (12) zum Aufrechterhalten einer vorgegebenen maximalen Amplitude des Schwingungsbildes ausüben, und durch auf diese Signale ansprechende Einrichtungen, die eine negative federkraft längs einer der vier Achsen zum Aufrechterhalten gleicher Phase der Schwingungskomponenten in den ersten und zweiten Achsen ausüben,»

uo Akustischer Kreisel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Erfassen des Schwingungsbildes Abtastelektroden (P1 bis P8) sind, dass eine ringförmige Treiberelektrode (C) von der Abstützung (16) des Schwingers getragen neben der einen 0-berflache des Schwingers mit Abstand liegt und vier Sätze zu je vier Treiberelektroden (P1 bis F16) rechteckiger Formneben der Oberfläche des Scwingers mit Abstand in den vier je im Abstand von 22,5° voneinander liegenden Achsen (Α,Α',Β,Β¹) angeordnet sind, und da_ss die auf die Signale der Abtastelektroden ansprechende Steuereinrichtung (126) der zentralen Treiberelektrode (C) eine Spannung mit einer Frequenz zuleitet, die eine vorgegebene maximale Ampli

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tude des Schwingungsbildes unabhängig von dessen Lage
aufrechterhält , und ausgesuchten Sätzen von Treiberelektroden eine Spannung zuleitet, die das Schwingungsbild in den ersten und zweiten Achsen (A,A·) phasengleich hält«

7, Akustischer Kreisel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale tingförmige Treiberelektrode (G) und die vier Sätze von Treiberelektroden (P1 bis ΪΊ6) an einem Treibergehäuse (16) neben der einen Oberfläche des Schwingers (12) im Abstand von diesem
getragen sind, wobei der erste und dritte Satz um 45° zueinander versetzt in den ersten und zweiten Achsen (A und A^f) und der dritte und vierte Satz um 45° zueinander versetzt in den zwischen den ersten und zweiten Achsen liegenden Achsen (B und B¹) angeordnet sind, dass die Abtastelektroden (P1 bis P8) in zwei Sätzen von einem Abtastge— häuse (64) getragen sind und mit Abstand neben der _anderen Oberfläche des Schwingers (12) angeordnet sind_e

8„ Akustischer Kreisel nach Anspruch 3 mit
einem halbkugelförmigen Schwinger, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger (12) am Pol einen Zapfen (14) aufweist, der in eine Bohrung (18) eines innen liegenden Gehäuses
passt, das den Schwinger trägt und mehrere Treiberelektroden (C, ΙΊ bis I¹16) mit Abstand von der einen Oberfläche
des Schwingers trägt, zu denen eine ringförmige Treiber- I elektrode (G) und vier Sätze von je vier Treiberelektroden

-5-S09848/0S19

29050S5

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(3?1 Ms Ϊ16) rechteckiger Ge st alt gehören, dass eine Schaltkarte (20) vom inneren Gehäuse getragen die elektrische ^ertiinäung zwischen den Elektroden jeden Satzes bewirkt_f dass von einem äusseren Gehäuse (64) Abtastelektro· den (PI bis P8) in zwei Sätzen mit Abstand von der anderen Oberfläche des Schwingers (12) angeordnet sind, und dass beide Gehäuse miteinander verbunden sind und die Umgebung des Schwingers hermetisch umschliessen_o

9ο Akustischer Kreisel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger (1.2) das innere ^ehcfeise (16), das äussere Gehäuse (64) und die Schaltkarte (20) aus geschmolzenem Quarz bestehen, dass die Abtast- und Ireiberelektroden durch aufplattierten elektrisch leitenden Werkstoff gebildet sind, und dass die elektrischen ^erbindungen zu den plattierten Plächen des Schwingers, zu den Abtastelektroden und zu einigen der ireiberelektroden durch mit elektrisch leitendem Werkstoff bekleidete Mantelflächen von Bohrungen in den Gehäusen gebildet sind«,

-6-909848/OSia