DE2905055C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen schwingenden Drehbewegungsaufnehmer, mit einem entlang einer Eingangsachse abgestützten Resonator, der mit einem in einer zur Eingangsachse senkrechten Ebene liegenden Schwingungsmuster schwingt, mit Einrichtungen zur Erfassung der Phasen von Bewegungskomponenten des Resonators entlang einer ersten und einer zweiten Achse, die senkrecht zur Eingangsachse verlaufen und durch einen vorgegebenen Winkel voneinander getrennt sind, sowie mit Einrichtungen zur Beaufschlagung des Resonators mit Kräften. Derartige, beispielsweise als Navigationsgeräte einsetzbare schwingende Drehbewegungsaufnehmer sind beispielsweise aus der DE-AS 20 35 342, US 36 56 354, US 36 78 762 und US 37 19 074 bekannt.

Die Resonatoren derartiger Drehbewegungsaufnehmer weisen in der Regel ein relativ hohes Trägheitsmoment auf und können beispielsweise halbkugelförmig ausgebildet sein. Solche halbkugelförmige Vibratoren besitzen ein elliptisches Schwingungsmuster, wenn sie im Schwingungsmodus niedrigster Ordnung erregt werden. Dreht sich der Resonator um die Eingangsachse, so führt dies dazu, daß auch das Schwingungsmuster der Glocke gedreht wird.

Der Resonator eines solchen Drehbewegungsaufnehmers zeichnet sich durch zwei Grund- oder Normalmodus-Achsen aus, die durch einen vorgegebenen Winkel voneinander getrennt sind. Weist der glockenförmige Resonator insbesondere Abweichungen in der Dicke der Wandung auf, so kann die Resonanzfrequenz längs einer der beiden Grundmodus-Achsen von der Resonanzfrequenz längs der anderen Achse abweichen.

Demzufolge ergibt sich im elliptischen Schwingungsmuster eine bestimmte erste Frequenz, wenn dieses mit einer der Achsen ausgerichtet ist, und eine davon leicht abweichende zweite Frequenz, wenn eine Ausrichtung mit der anderen Achse vorliegt.

Bei einer anderen Ausrichtung wird sich das Schwingungsmuster aus einer Überlagerung dieser beiden Grund-Schwingungsmoden ergeben.

Um die Amplitude des Schwingungsmusters konstant zu halten, muß der Resonator zum Ausgleich der entstandenen Energieverluste stets von neuem erregt werden. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines parametrischen Antriebs (vgl. z. B. US 37 19 074). Hierbei treten nun infolge der im allgemeinen nicht auszuschließenden Dickenabweichungen des Resonators und dgl. unerwünschte Drift- oder Abweichfehler auf, da der parametrische Antrieb bevorzugt die beiden Komponenten des Schwingungsmusters anregt.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen schwingenden Drehbewegungsaufnehmer der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit erhöhter Genauigkeit arbeitet.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Resonator in Abhängigkeit von den erfaßten Phasen derart mit Kräften beaufschlagt ist, daß eine jegliche Phasendifferenz zwischen den Bewegungskomponenten entlang der ersten und zweiten Achse eliminiert und ungeachtet der jeweiligen Lage des Schwingungsmusters stets eine Resonatorbewegung bei einer einheitlichen Frequenz und Phase aufrechterhalten ist.

Aufgrund dieser Ausbildung ist weitgehend sichergestellt, daß die gesamte Resonatorbewegung ohne Rücksicht auf die jeweilige Lage des Schwingungsmusters bei einer einheitlichen Frequenz und Phase erfolgt. Die Gefahr des Auftretens von Abweich- oder Driftfehlern infolge der beiden normalerweise unterschiedliche Eigenfrequenz aufweisenden Grundmodus-Achsen ist somit beseitigt.

Wesentlich ist demnach, daß die Beaufschlagung des Resonators mit einheitlicher Frequenz und Phase erfolgt. Diese für den Resonator einheitliche Frequenz kann jedoch variieren.

Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen schwingenden Drehbewegungsaufnehmer nach der Linie 1-1 in Fig. 6,

Fig. 2 eine Ansicht von unten auf Fig. 1 mit zum Teil weggebrochenen Teilen,

Fig. 3 eine Ansicht von oben von Fig. 1 mit zum Teil weggebrochenen Teilen,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 1 mit zum Teil weggebrochenen Teilen,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Treibergehäuses des schwingenden Drehbewegungsaufnehmers,

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

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Anordnung von Elektroden des schwingenden Drehbewegungsaufnehmers,

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

Fig. 9 und 9A ein detailliertes Blockdiagramm eines Teils der Kreise gemäß Fig. 8.

Der schwingende Drehbewegungsaufnehmer 10 des Ausführungsbeispiels ist ein einachsiges Instrument mit einem halbkugelförmigen trägheitsempfindlichen Schwinger- bzw. Resonator 12, der einen im Pol der Halbkugel sitzenden Zapfen 14 aufweist. Der Resonator 12 besteht aus geschmolzenem Quarz und ist in Richtung seiner Länge in Umfangsrichtung möglichst gleichmäßig ausgebildet. Der Resonator 12 wird von einem Treibergehäuse 16 getragen, das ebenfalls aus geschmolzenem Quarz besteht. Das als Abstützung des Resonators 12 dienende Treibergehäuse 16 hat eine zentrale Bohrung 18 zur Aufnahme des Zapfens 14 des Resonators 12, wobei der Zapfen 14 mit der Wandung der Bohrung 18 durch eine silberimprägnierte Fritte verbunden ist. Das Treibergehäuse 16 ist mit Treiberelektroden C, F 1-F 16 aus Chrom versehen, die auf kuglige Flächen des Treibergehäuses aufplattiert sind (Fig. 5 und 6). Diese Treiberelektroden umfassen eine zentrale, ringförmige Treiberelektrode C und sechzehn einzelne Treiberelektroden F 1 bis F 16, von denen einige durch eine Schaltkarte 20 aus Quarz miteinander verbunden sind, wozu diese sechs Kontaktringe R 1-R 6 aufweist. Jeder dieser Kontaktringe R 1-R 6 verbindet je eine Anzahl der einzelnen Treiberelektroden durch Löcher 22, die sich durch die Schaltkarte 20 erstrecken und deren Wandung mit einem elektrisch leitenden Belag versehen sind. Wie noch beschrieben wird, werden die Treiberelektroden F 1 und F 9 zum Anfachen der Schwingung des Resonators 12 bei Betriebsbeginn benutzt. Während des Betriebes werden die Treiberelektroden in um jeweils 90° phasenverschobenen Gruppen geschaltet, die die Phasensteuerung des Drehbewegungsaufnehmers 10 bewirken.

Die Innen- und Außenfläche des Resonators 12 sind mit Ausnahme des Glockenrandes mit Chrom plattiert. Die elektrische Verbindung mit der Außenfläche des Resonators 12 erfolgt über die Wandung der Bohrung 18 und eine Bohrung 24 im Zapfen 14 des Resonators. Die elektrische Verbindung der Innenfläche des Resonators 12 erfolgt über die chromplattierte Außenfläche des Zapfens 14 zur chromplattierten Außenfläche 26 des Treibergehäuses 16 und die plattierte Fläche einer Bohrung 28 (Fig. 1, 5 und 6). Die elektrische Verbindung zur zentralen Treiberelektrode C erfolgt über die plattierte Fläche einer Bohrung 30. Die elektrische Verbindung zu sechs der einzelnen Treiberelektroden erfolgt unmittelbar durch Bohrungen 32 bis 42 (Fig. 1 und 2), mit denen die übrigen Treiberelektroden über die Kontaktringe verbunden sind. Die Bohrungen 18, 28, 30 und 32 bis 42 sind durch Deckel 44 bis 60 hermetisch verschlossen, nachdem um den Resonator 12 eine geeignete Atmosphäre geschaffen ist.

Der schwingende Drehbewegungsaufnehmer 10 hat ferner einen Abtaster, der ein Gehäuse 64 aus geschmolzenem Quarz enthält. Dieses Gehäuse 64 enthält Bohrungen zur Aufnahme von acht voneinander getrennten Quarzstäben 66 bis 80, von denen jeder eine aus Chrom bestehende Abtastelektrode P 1 bis P 8 (Fig. 4) trägt, die an einer kugligen Fläche aufplattiert sind. Das Gehäuse 64 des Abtasters ist mit dem Treibergehäuse 16 über einen Tragring 90 verbunden.

Die elektrische Verbindung zu den einzelnen Abtastelektroden P 1 bis P 8 erfolgt über die plattierten Flächen 92 von in jedem Quarzstab 68 bis 80 vorgesehenen Schlitzen 94 (Fig. 2). 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 (Fig. 1). Mit letzterer sind nicht dargestellte Ausgangsleiter verbunden. Ein Deckel 104 verschließt das Loch 98 hermetisch. Die Quarzstäbe 66 bis 80 sind mit den Wandungen der Bohrungen im Gehäuse 64 des Abtasters durch einen elektrisch leitenden Werkstoff verbunden, der eine die Abtastelektroden P 1 bis P 8 umschließende Schutzhaube 106 darstellt. Der Deckel 100 verschließt die die Quarzstäbe 66 bis 80 aufnehmenden Bohrungen hermetisch.

Die Abtastelektroden P 1 bis P 8 haben gleiche Flächen und weisen gleiche Spalten zum Resonator 12 auf, so daß zwischen diesen gleichgroße Kapazitäten bestehen. Die Innenfläche des Resonators 12 liegt hierbei an Masse, während die Außenfläche auf einer Gleichspannung von beispielsweise 90 Volt gehalten wird. Die Spannung an den Abtastelektroden P 1 bis P 8 ist von dem Spannungsabfall im Spalt zum Resonator 12 abhängig, wenn dieser schwingt. Ändert sich hierbei beispielsweise der Spalt zu einer Abtastelektrode um 1%, so wird 1% der Spannung des Resonators 12 mit der Abtastelektrode gekuppelt. Das Signal an der Abtastelektrode wird verstärkt und zur Schutzhaube 106 rückgekoppelt, um Leckagen zwischen den Abtastelektroden und den anderen elektrischen Kreisen zu verhindern.

Der Resonator 12 wird durch Zuleiten einer periodischen Spannung zu den Treiberelektroden F 1 und F 9 zu einer Schwingung mit elliptischem Schwingungsmuster angefacht. Wie Fig. 7 zeigt, liegen die Abtastelektroden P 1 und P 5 sowie die Treiberelektroden F 1 und F 9 in einer Achse A, und die Abtastelektroden P 3 und P 7 sowie die Treiberelektroden F 5 und F 13 in einer Achse -A. Beide Achsen A und -A werden künftig als erste Achse bzw. Achsengruppe A bezeichnet. Die Abtastelektroden P 2 und P 6 sowie die Treiberelektroden F 3 und F 11 liegen auf einer Achse A′, während die Abtastelektroden P 4 und P 8 sowie die Treiberelektroden F 7 und F 15 auf einer Achse -A′ liegen. Beide Achsen A′ und -A′ werden künftig als zweite Achse bzw. Achsengruppe A′ bezeichnet. Die beiden Achsengruppen A und A′ sind 45° zueinander vernetzt. Der Schwingungsbauch des elliptischen Schwingungsmusters kann in einem beliebigen Winkel R zur zweiten Achsengruppe A′ im Resonator 12 liegen. Befindet sich das Schwingungsmuster genau in der ersten Achsengruppe A, so bestimmt die zweite Achsengruppe A′ die Hauptkomponente des Schwingungsmusters. In gleicher Weise bestimmt die erste Achsengruppe A diese Hauptkomponente, wenn das Schwingungsmuster genau in der zweiten Achsengruppe A′ liegt. Liegt aber das Schwingungsmuster in einer anderen Achse, die in einem Winkel R zur zweiten Achsengruppe A′ versetzt ist, so sind die Hauptkomponenten in der ersten Achsengruppe A sin 2 R und in der zweiten Achsengruppe A′ cos 2 R. Bei schwingendem Resonator 12 erscheint an den Abtastelektroden P 1, P 5 und P 3, P 7 ein sinusförmiges Signal, dessen Amplitude proportional sin 2 R ist. An den Abtastelektroden P 2, P 6 und P 4, P 8 erscheint ebenfalls ein sinusförmiges Signal, dessen Amplitude proportional cos 2 R ist. Diese Signale werden benutzt, die Lage R des Schwingungsmusters zu identifizieren. Sie werden außerdem zur Bildung von Steuersignalen benutzt, die der zentralen Treiberelektrode C zugeleitet werden, um eine vorgegebene Amplitude des Schwingungsmusters aufrechtzuerhalten, und ferner zur Phasensteuerung, um die Hauptkomponenten längs der Achsengruppen A und A′ zueinander in Phase zu halten, wozu die Signale gewissen Einzeltreiberelektroden zugeleitet werden. Die Treiberelektroden F 2, F 6, F 10 und F 14 sind um 22,5° zur ersten Achsengruppe A versetzt angeordnet, wobei die Achsen B und -B eine Achsengruppe B bilden. Die Treiberelektroden F 4, F 8 und F 12, F 16 sind zur Achsengruppe A′ 22,5° versetzt in Achsen B′ bzw. -B′ angeordnet, die eine Achsengruppe B′ bilden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 werden die Abtastelektroden P 1 und P 5 gemeinsam mit dem Eingang eines Pufferverstärkers 110 verbunden, dessen Ausgang mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Differentialverstärkers 112 und dem invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers 114 verbunden ist. Die Abtastelektroden P 3 und P 7 sind gemeinsam mit dem Eingang eines Pufferverstärkers 116 verbunden, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 112 und dem nichtinvertierenden Eingang des Differentialverstärkers 114 verbunden ist. Die Signale der Abtastelektroden P 1 und P 5 sind gleich groß. Auch die Signale der Abtastelektroden P 3 und P 7 sind gleich groß, jedoch 180° phasenverschoben zu denen der Abtastelektroden P 1 und P 5. Das differentielle Summieren dieser Signale liefert ein Ausgangssignal A _s , daß die doppelte Amplitude der Signale der Abtastelektroden P 1 und P 5 hat und ein elektrisches Analog für die radiale mechanische Verlagerung längs der ersten Achsengruppe A darstellt. Das Ausgangssignal A _s hat die Form A₀ sin 2 R sin ω t, worin A₀ sin 2 R die Amplitude der Bewegungskomponente längs der zweiten Achsengruppe A′ und R der Winkel des Schwingungsmusters zur zweiten Achsengruppe A′ ist.

Die Signale der Abtastelektroden P 2 und P 6 werden dem Eingang eines Pufferverstärkers 118 zugeleitet, dessen Ausgang mit dem nichtinvertierten Eingang eines Differentialverstärkers 120 und dem invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers 122 zugeleitet wird. Die Abtastelektroden P 4 und P 8 sind gemeinsam mit dem Eingang eines Pufferverstärkers 124 verbunden, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 120 und dem nichtinvertierenden Eingang des Differentialverstärkers 122 verbunden ist. Hierdurch wird ein Ausgangssignal A′ _s gebildet, das der mechanischen Verlagerung längs der zweiten Achsengruppe A′ proportional ist. Das Ausgangssignal A′ _s hat die Form A₀ cos 2 R sin ω t, worin A₀ cos 2 R die Amplitude der Schwingung längs der zweiten Achsengruppe A′ ist. Die Ausgangssignale -A _s und -A′ _s sind Spiegelbilder der Ausgangssignale A _s bzw. A′ _s . Die Ausgänge der Pufferverstärker 110, 116, 118 und 124 werden auch zur Versorgung der Schutzkappen verwendet, die die Abtastelektroden umgeben, um kapazitive Verluste und Kupplungseffekte zwischen beanchbarten Flächen der Abtastelektroden und unter Massepotential liegenden Flächen zu unterbinden. Die Ausgangssignale ±A _s und ±A′ _s gehen in einen Kreis 126 ein, der die Schwingungsbewegung des Resonators 12 in einer Frequenz mit vorgegebener Amplitude aufrechterhält und dafür sorgt, daß die Bewegungskomponenten längs der ersten und zweiten Achsen bzw. Achsengruppen A und A′ in Phase zueinander bleiben. Es werden hierzu den Treiberelektroden F 1 bis F 16 Signale zugeleitet. Die Ausgangssignale ±A _s und ±A′ _s werden auch einem Computer 128 zugeleitet, der den Winkel R der Lage des Schwingungsmusters ermittelt.

In den Fig. 9 und 9A ist der Kreis 126 im einzelnen dargestellt. Die Ausgangssignale A _s und A′ _s werden einem Mittler 129 zugeleitet, der ein Gleichspannungsausgangssignal liefert, das der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der Eingangssignale ist, d. h. die Vektorsumme dieser Signale darstellt. Der Zweck dieses parametrischen Kreises ist das Aufrechterhalten einer konstanten Amplitude des Schwingungsmusters. Zu diesem Zweck wird der Ausgang des Mittlers 129 in einem Vergleicher 130 mit einer Bezugsspannung A₀ verglichen, die die vorgegebene Amplitude des Schwingungsmusters darstellt. Ein dort auftretendes Fehlersignal wird einem Verstärker und Kompensationskreis 132 zugeleitet, der die Amplitudensteuerschleife stabilisiert. Der Ausgang des Kompensationskreises 132 steuert einen Treiber 134, der zwischen der Außenfläche des Resonators 12 und der zentralen Treiberelektrode C von einer Spannungsquelle 136 eine Spannung von 0 bis 400 Volt (Gleichspannung) zuteilt, deren Größe von dem vorliegenden Fehlersignal abhängt. Die der zentralen Treiberelektrode C zugeleitete Spannung ist ausreichend, um die Größe der Vektorsumme der Schwingungskomponenten längs der ersten und zweiten Achsen bzw. Achsengruppen A und A′ der Bezugsamplitude gleich zu halten. Die Spannung wird der zentralen Treiberelektrode C mit einer Frequenz von 2 l₀ zugeleitet, wobei ω₀ eine von Mittelwerten der Frequenzen der Ausgangssignale A _s und A′ _s abhängigen Lage des Schwingungsmusters darstellt. Das der zentralen Treiberelektrode C zugeleitete Signal übt auf den Resonator 12 eine Pumpwirkung aus, durch die infolge der Schwingung verloren gegangene Energie ersetzt wird. Ein Bezugsignal mit einer Frequenz von ω₀ wird von einem phasengekuppelten Kreis 138 geliefert, der einen Phasenfühler 144, ein Filter 146, 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 ω₀, Prüfpulse bei 0° und 180° Durchlauf des Bezugssignals und Phasensignale bei 0, π/4, π/2 und π zu bilden, die für Demodulationszwecke nützlich sind.

Wie bereits erwähnt ist die Frequenz des Bezugssignals ein Mittelwert der Frequenzen der Ausgangssignale A _s und A′ _s . Den größeren Einfluß hat hierbei das Signal größerer Amplitude. Es werden hierzu die Quadrate der Ausgangssignale A _s und A′ _s in bezug auf das Bezugssignal ermittelt und ω₀ so eingestellt, daß die Summe der Quadrate der Ausgangssignale A _s und A′ _s in ihren Komponenten Null wird. Die Ausgangssignale A _s , -A _s , A′ _s und -A′ _s werden jeweils zugeordneten Abfühlern 160 bis 166 zugeleitet, die Prüf- und Haltekreise darstellen und eine Gleichspannung liefern, den den Quadratwert der Eingangswerte beim Durchlauf der 0° und 180° Stellung des Bezugssignals darstellen. Die Ausgänge der Abfühler 160 und 162 werden in einem Summierpunkt 168 vereinigt, in einem Verstärker 170 gefiltert und verstärkt, um ein Signal SIN QUAD zu bilden, das die Phasenabweichung des Ausgangssignals A _s zum Bezugssignal darstellt. In gleicher Weise werden die Ausgänge der Abfühler 164 und 166 in einem Summierpunkt 172 vereinigt und in einem Verstärker 174 gefiltert und verstärkt, um ein Gleichspannungssignal COS QUAD zu bilden, das die Phasenabweichung des Ausgangssignals A′ _s vom Bezugssignal anzeigt. Die Ausgangssignale A _s und A′ _s werden ferner einem Quadrantabfühler 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. Das abgefühlte Signal SIN QUAD wird invertiert, wenn sich das Schwingungsmuster im 3. oder 4. Quadranten befindet.

In gleicher Weise bewirken Schalter 194 und 198 ein Umkehren des Signals COS QUAD, wenn das Schwingungsmuster im 2. oder 3. Quadranten ist. Die Signale SIN QUAD und COS QUAD werden einem Addierer 200 zugeleitet, der ein QUAD Σ-Signal liefert, das einem Verstärker und Schleifenkompensationskreis 202 zugeleitet wird, der eine integrale und proportionale Steuerung zur Sicherung der Stabilität der Frequenzsteuerschleife bewirkt. Der Ausgang des Schleifenkompensationskreises 202 ist über einen Schalter 204 mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 148 verbunden. Dieser Schalter wird nach der Anlaufperiode eingeschaltet. Da der Pegel der Signale SIN QUAD und COS QUAD eine Funktion der Ausgangssignale A _s bzw. A′ _s ist, erfolgt die Einstellung des Oszillators unter Bevorzugung der Frequenz des größeren dieser Signale.

Eine Korrektur eines Phasenfehlers erfolgt durch Zuleiten einer Gleichspannung zu den vier Treiberelektroden, die in den Achsengruppen A, A′, B und B′ liegen. Es kann nachgewiesen werden, daß das Anlegen einer Gleichspannung 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 ersten Achse bzw. Achsengruppe A liegenden Schwingungsbild muß eine Gleichspannung längs der Achsen B oder B′ erfolgen, je nachdem ob die Phase von A′ gegenüber der von A nach- oder voreilt. Ist das Schwingungsmuster beispielsweise in der ersten Achse bzw. Achsengruppe A bei gegenüber A voreilendem A′, muß die Gleichspannung in B angelegt werden, um die Frequenz der B-Komponente der Resonatorbewegung zu verringern, wodurch der Phasenfehler von A′ verringert wird. Die Höhe der anzulegenden Spannung ist vom Phasenfehler abhängig und von der Lage des Schwingungsmusters.

Der Phasensteuerkreis enthält einen Addierer 210, der einen Ausgang QUAD Δ liefert, welcher gleich der Differenz der Quadratwerte der Ausgangssignale A _s und A′ _s ist, also gleich der Differenz zwischen SIN QUAD und COS QUAD. Das Vorzeichen des Signals QUAD Δ wird willkürlich festgesetzt, und zwar positiv, wenn COS QUAD größer als SIN QUAD ist, und negativ, wenn SIN QUAD größer als COS QUAD ist. Das Schalten bewirken die Schalter 194 und 198. Im ersten Quadranten wird das Signal SIN QUAD invertiert und mit dem nicht invertierten Signal COS QUAD vereinigt. Im zweiten Quadranten werden beide Signale nicht umgekehrt und addiert. Im dritten Quadranten wird das Signal COS QUAD invertiert und mit dem nicht invertierten Signal SIN QUAD summiert. Im vierten Quadranten werden beide Signale invertiert und zusammenaddiert. Der Ausgang des Addierers 210 ist somit stets gleich der Differenz der Quadratwerte und positiv, wenn COS QUAD der größere und negativ, wenn SIN QUAD der größere Wert ist. Dieses QUAD Δ-Signal wird einem Verstärker und Schleifenkompensationskreis 212 zugeleitet, um die Schleife zu stabilisieren und gelangt dann zum einen Eingang von Multiplikatoren 216 und 218. Der andere Eingang der Multiplikatoren 216 und 218, nämlich

bewirkt eine Kompensation für die Tatsache, daß die dem Resonator 12 zugeleitete Kraft proportional dem Quadrat der zugeleiteten Spannung an den Treiberelektroden ist, wobei berücksichtigt ist, daß die Lage des Schwingungsmusters 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, der den Treiberelektroden zugeleitet wird, und zwar vom Multiplikator 216 über Treiber 220, 222 und 224 zu den in der ersten Achse bzw. Achsengruppe A liegenden Treiberelektroden F 1, F 5, F 9, F 13 und den in der zweiten Achse bzw. Achsengruppe A′ liegenden Treiberelektroden F 3, F 7, F 11 und F 15 und vom Multiplikator 218 über Treiber 226 und 228 zu den in der Achse B liegenden Treiberelektroden F 2, F 6, F 10 und F 14 bzw. den in der Achse B′ liegenden Treiberelektroden F 4, F 8, F 12 und F 16. 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 Treiber 226 arbeitet dagegen bei positivem Ausgang des Multiplikators 218. In gleicher Weise ist dem Multiplikator 216 ein Inverter 232 zugeordnet, so daß der Treiber 224 die Treiberelektroden in der zweiten Achse bzw. Achsengruppe A′ bei negativen Ausgang des Multiplikators versorgt, während bei positiven Ausgang der andere Satz Treiberelektroden wirksam ist.

Zum Anfachen der Schwingung des Resonators 12 wird die Spannungsquelle 136 periodisch über den Treiber 220 mit den Treiberelektroden F 1 und F 9 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 Inverter 246 den Schalter 204 offen hält. Damit wird das Ausgangssignal A _s dem eine phasengekuppelte Schleife bildenden Kreis 138 und einem Phasensteuerkreis 248 zugeleitet, der das Eingangssignal umschaltet, so daß der Ausgang des Treibers 220 dem Ausgangssignal A _s um 45° voreilt. Der Treiber 220 spricht nur auf positive Signale an, so daß die Spannungsquelle 136 nur mit den Treiberelektroden F 1 und F 9 in der positiven Halbwelle des Ausgangssignals A _s verbunden ist, wodurch die bereits früher erwähnte Pumpwirkung eintritt, die die natürliche Schwingung des Resonators 12 in der Achse der Treiberelektroden F 1 und F 9 unterstützt. Hierdurch wird die Amplitude der Schwingung auf einen Spitzenwert von 4,3 Volt Gleichspannung erhöht. Danach wird der Oszillator vom QUAD Σ-Signal gesteuert und die Amplitude des Resonators 12 durch den Ausgang des Treibers 134 konstant gehalten.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird die Schwingung des Resonators 12 mit einer einzigen Frequenz und Phase unabhängig von der Lage des Schwingungsmusters aufrechterhalten.

Der so ausgebildete schwingende Drehbewegungsaufnehmer hat eine sehr kleine Drift und einen konstanten Maßstabbeiwert zwischen der Eingangsdrehung und der Winkelablesung, so daß ein sehr genaues Gerät erstellt werden kann.

Claims (9)

1. Schwingender Drehbewegungsaufnehmer, mit einem entlang einer Eingangsachse abgestützten Resonator, der mit einem in einer zur Eingangsachse senkrechten Ebene liegenden Schwingungsmuster schwingt, mit Einrichtungen zur Erfassung der Phasen von Bewegungskomponenten des Resonators entlang einer ersten und einer zweiten Achse, die senkrecht zur Eingangsachse verlaufen und durch einen vorgegebenen Winkel voneinander getrennt sind, sowie mit Einrichtungen zur Beaufschlagung des Resonators mit Kräften, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (12) in Abhängigkeit von den erfaßten Phasen derart mit Kräften beaufschlagt ist, daß eine jegliche Phasendifferenz zwischen den Bewegungskomponenten entlang der ersten und zweiten Achse (A, A′) eliminiert und ungeachtet der jeweiligen Lage des Schwingungsmusters stets eine Resonatorbewegung bei einer einheitlichen Frequenz und Phase aufrechterhalten ist.

2. Schwingender Drehbewegungsaufnehmer nach Anspruch 1, mit Einrichtungen zum Aufrechterhalten einer vorgegebenen Amplitude der Schwingung des Resonators und Einrichtungen zum Abtasten der Lage des Schwingungsbildes, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (12) in Richtung zumindest einer von vier Achsen (A, A′, B, B′) mit Kräften beaufschlagt ist, die durch die erste und die zweite Achse (A, A′) sowie durch Achsen (B, B′) gebildet sind, die von der ersten und zweiten Achse (A, A′) jeweils um den halben vorgegebenen Winkel zwischen der ersten und zweiten Achse versetzt sind.

3. Schwingender Drehbewegungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Resonator mit einem elliptischen Schwingungsmuster schwingt, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Winkel zwischen der ersten und der zweiten Achse (A, A′) 45° beträgt.

4. Schwingender Drehbewegungsaufnehmer nach Anspruch 3, mit einem halbkugelförmigen Resonator und durch den Pol des Resonators gehender Drehachse, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (12) in Abhängigkeit von den erfaßten Phasen derart mit Kräften beaufschlagt ist, daß eine Schwingung mit elliptischem Schwingungsmuster mit vorgegebener Amplitude und einer Frequenz aufrechterhalten ist, die der Vektorsumme der Eigenfrequenz des Resonators (12) in der ersten und zweiten Achse (A, A′) entspricht, und daß bestimmten Stellen des Umfangs des Resonators (12) in Abhängigkeit von den Schwingungen des Schwingungsmusters eine negative Federkraft aufgedrückt ist, die die Schwingung in den Achsen (A, A′, B, B′) phasengleich hält.

5. Schwingender Drehbewegungsaufnehmer nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (12) in Abhängigkeit von den Schwingungen des Schwingungsmusters in der ersten und zweiten Achse (A, A′) derart mit einer parametrischen Kraft beaufschlagt ist, daß eine vorgegebene maximale Amplitude des Schwingungsmusters aufrechterhalten ist, und daß dem Resonator (12) in Abhängigkeit von diesen Schwingungen des Schwingungsmusters eine negative Federkraft längs einer der vier Achsen (A, A′, B, B′) aufgedrückt ist, die die Bewegungskomponenten des Resonators (12) in der ersten und der zweiten Achse (A, A′) phasengleich hält.

6. Schwingender Drehbewegungsaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsmuster mittels Abtastelektroden (P 1-P 8) erfaßbar ist, daß eine Abstützung (16) des Resonators (12) eine zentrale ringförmige Treiberelektrode (C) trägt, die mit Abstand neben der einen Oberfläche des Resonators (12) angeordnet ist, daß vier Sätze zu je vier Treiberelektroden (F 1-F 16) rechteckiger Form mit Abstand neben der Oberfläche des Resonators (12) in den vier jeweils um 22,5° gegeneinander versetzten Achsen (A, A′, B, B′) angeordnet sind, und daß in Abhängigkeit von den Signalen der Abtastelektroden (P 1-P 8) die zentrale ringförmige Treiberelektrode (C) von einer Spannung mit einer derartigen Frequenz beaufschlagt ist, daß ungeachtet der jeweiligen Lage des Schwingungsmusters eine vorgegebene maximale Amplitude dieses Schwingungsmusters aufrechterhalten ist und ausgesuchte Sätze von Treiberelektroden mit einer solchen Spannung beaufschlagt sind, daß die Schwingungen des Schwingungsmusters in der ersten und der zweiten Achse (A, A′) phasengleich gehalten sind.

7. Schwingender Drehbewegungsaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale ringförmige Treiberelektrode (C) und die vier Sätze von Treiberelektroden (F 1-F 16) an einem Treibergehäuse (16), welches als Abstützung des Resonators (12) dient, neben der einen Oberfläche des Resonators (12) im Abstand von diesem getragen sind, wobei der erste und dritte Satz um 45° gegeneinander versetzt in der ersten und zweiten Achse (A, A′) und der dritte und vierte Satz um 45° gegeneinander versetzt in den zwischen der ersten und zweiten Achse (A, A′) liegenden Achsen (B, B′) angeordnet sind, und daß die Abtastelektroden (P 1-P 8) in zwei Sätzen von einem Abtastgehäuse (64) getragen sind und mit Abstand neben der anderen Oberfläche des Resonators (12) angeordnet sind.

8. Schwingender Drehbewegungsaufnehmer nach Anspruch 3, mit einem halbkugelförmigen Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (12) am Pol einen Zapfen (14) aufweist, der in eine Bohrung (18) eines innenliegenden Treibergehäuses (16) paßt, das den Resonator (12) und mehrere Treiberelektroden (C, F 1-F 16) mit Abstand von der einen Oberfläche des Resonators (12) trägt, zu denen eine ringförmige Treiberelektrode (C) und vier Sätze von je vier Treiberelektroden (F 1-F 16) rechteckiger Form gehören, daß eine vom inneren Treibergehäuse (16) getragene Schaltkarte (20) zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Elektroden jedes Satzes vorgesehen ist, daß an einem äußeren Gehäuse (64) die Abtastelektroden (P 1-P 8) in zwei Sätzen mit Abstand von der anderen Oberfläche des Resonators (12) angeordnet sind, und daß die beiden Gehäuse (16, 64) miteinander verbunden sind und die Umgebung des Resonators (12) hermetisch umschließen.

9. Schwingender Drehbewegungsaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (12), das innere Treibergehäuse (16), das äußere Gehäuse (64) und die Schaltkarte (20) aus geschmolzenem Quarz bestehen, daß die Abtast- und Treiberelektroden (P 1-P 8; C, F 1-F 16) durch aufplattierten elektrisch leitenden Werkstoff gebildet sind, und daß die elektrischen Verbindungen zu den plattierten Flächen des Resonators (12), zu den Abtastelektroden (P 1-P 8) und zu einigen der Treiberelektroden (C, F 1-F 16) durch mit elektrisch leitendem Werkstoff bekleidete Mantelflächen von Bohrungen in den Gehäusen (16, 64) gebildet sind.