DE3417858C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem für die Winkelgeschwindigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der Winkelgeschwindigkeit der Bewegung eines Flugzeuges bzw. eines Flugkörpers handelt es sich um eine wesentliche Eingangsgröße für sämtliche Navigations- und Inertial-Leitsysteme. Derartige Systeme werden herkömmlicherweise in Luft- und Raumfahrzeugen, Schiffen oder Geschossen eingesetzt. Es ist derzeit üblich, die Winkelgeschwindigkeit mittels einer Kreiselanordnung zu erfassen.

Kreiselanordnungen haben jedoch verschiedene Nachteile. Sie müssen mit einer extremen Präzision aufgebaut werden. Zudem weisen sie oft Driftraten von Bruchteilen eines Grades pro Stunde auf. Infolge des hohen Fertigungsaufwandes sind sie äußerst teuer, außerdem körperlich sehr groß und schwer. Eine häufige und genaue Wartung ist erforderlich, weil kritische Bewegungselemente - beispielsweise die Lager - zeitlichen Veränderungen unterliegen. Weiterhin können derartige Kreiselanordnungen bereits bei schwachen Stößen und Schwingungen Schaden nehmen. Hierdurch kann die Driftrate unkontrolliert zunehmen. Da die Kreiselanordnungen im Hinblick auf Stöße und Schwingungen empfindlich sind, werden sie zum Schutz oft mit schweren Lagerungen und Halterungen versehen, die ebenfalls teuer sind.

Aus der DE-AS 25 32 042 ist eine Anordnung zum Messen der Wendegeschwindigkeit eines Schiffes mittels eines Wendeanzeigers bekannt, bei der ein eine Stimmgabel aufweisender, einstückiger Wandler aus elektromagnetischem Material besteht. Die Stimmgabel, die aus einem Schaft, zwei daran angeordneten Schenkeln und einem zwischen den Schenkeln befindlichen Schaftabschnitt besteht, wird durch elektromagnetische Elektrodenanordnungen an den Schenkeln, eine elektromagnetische Elektrodenkonstruktion am Schaftabschnitt und elektromagnetische Meßwertgeber an den Schenkeln erregt, wobei Ausgangssignale von den Meßwertgebern an die Elektrodenanordnungen der Schenkel zurückgekoppelt werden, um die Stimmgabel mit einer ihrer Eigenschwingungsfrequenz entsprechenden Frequenz anzuregen. Wenn die so erregte Stimmgabel um die Achse ihres Schaftabschnittes gedreht wird, treten in dem Schaftabschnitt Torsionsschwingungen auf, deren Amplituden sich nach der Drehgeschwindigkeit richten. Die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung werden durch Meßsignale zweier Meßwertaufnehmer angezeigt, die sich am Schaft der Stimmgabel befinden.

Neben dem komplizierten Aufbau dieser Stimmgabel besteht ein weiterer Nachteil darin, daß das elektromagnetische Material, aus dem sie gefertigt ist, von Natur aus so viele Unregelmäßigkeiten der Kristallstruktur aufweist, daß das Ausgangssignal der in Schwingung gesetzten Stimmgabel wegen seiner Instabilität hohen Anforderungen nicht genügen kann. Eine ebenfalls aus elektromagnetischem Material bestehende Stimmgabelanordnung, die durch Spulen erregt wird und sehr kompliziert aufgebaut ist, geht aus der US-PS 31 27 775 hervor.

Aus der GB-PS 21 11 209 geht ein Winkelgeschwindigkeitsmesser hervor, der einen Balken aus einem Einkristall aus piezoelektrischem Material aufweist, wobei der Balken einen rechtwinkeligen, quadratischen oder kreisförmigen Querschnitt besitzt. Ein Problem besteht bei einem derartigen, unsymmetrischen balkenförmigen Schwinger darin, daß unerwünschte Harmonische erzeugt werden, die einerseits eine Bewertung des Ausgangssignales schwierig und es andererseits auch unmöglich machen, den Balken wirksam zu befestigen, weil die Knotenpunkte nur theoretisch, nicht aber tatsächlich bestehen.

Aus der US-PS 32 06 986 gehen Schwinganordnungen für Kreisel hervor, bei denen die Schwingkörper aus unterschiedlichen piezoelektrischen Materialien zusammengesetzt sind. Derartige Schwingkörper weisen ebenfalls große Probleme auf, weil sich die Eigenschaften der unterschiedlichen Materialien relativ zueinander zeitabhängig ändern. Die Ausgangssignale derartiger Schwingkörper sind durch Übergangseffekte beeinflußt, die entstehen, wenn sich die Schwingungsenergie und die elektrische Energie durch die unterschiedlichen Kristallstrukturen ausbreiten. Zudem sind derartige Schwinganordnungen im Hinblick auf ihren Zusammenbau sehr aufwendig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Sensorsystem für die Winkelgeschwindigkeit anzugeben, das kostengünstig ist und stabil und genau arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch ein Sensorsystem der eingangs genannten Art gelöst, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.

Durch die Erfindung wurde erstmals der neuartige Weg beschritten, von den aus dem Stand der Technik bekannten, piezoelektrischen Schwingkörpern der oben beschriebenen Art abzugehen und aus einem einzigen Kristall aus piezoelektrischem Material ein Sensorsystem der vorliegenden Art zu schaffen, das einen relativ komplizierten Schwingkörper in der Form einer Stimmgabel aufweist. Sofern die zuvor bekannten Anordnungen aus einem einzigen Kristall aus piezoelektrischem Material bestanden, wurden nur äußerst einfach geformte Körper, wie z. B. Balken oder Plättchen, verwendet, bei denen eine Bruchgefahr gering ist. Dadurch, daß die Erfindung ein System mit einer relativ komplizierten Stimmgabel aus einem einzigen Kristall aus piezoelektrischem Material schafft, lassen sich Vorteile im Hinblick auf einfache Elektrodenanordnungen zur Erregung und zur Meßwertabnahme, die Stabilität und Genauigkeit des Systems und die vergleichsweise einfache Herstellbarkeit erzielen. Vorzugsweise läßt sich die Stimmgabel des vorliegenden Systems aus Quarz fertigen. Es sind jedoch auch andere piezoelektrische Materialien geeignet. Beispielsweise können synthetische Kristalle, wie Äthylendiamintartrat (EDT), Dikaliumtartrat (DK) oder Ammoniumdiwasserstoffphosphat (DP) Verwendung finden.

Das Ausgangssignal des vorliegenden Systems läßt sich einfach erzeugen, indem man vier Kondensatoren mit den Schenkeln oder dem Schaft koppelt. Es kann vorteilhaft auch piezoelektrisch, resistiv oder optisch erhalten werden. Winkelgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 Grad pro Stunde sind durch die erfindungsgemäßen Systeme meßbar und so niedrig, daß diese als magnetisch korrigierte Richtungsfrequenz und als schwerkraftkorrigierte Vertikallagerfrequenz verwendet werden können. Da auch Winkelgeschwindigkeiten von 0,1 Grad pro Stunde meßbar sind, ist das vorliegende System auch als Inertial-Referenz, z. B. bei in sich abgeschlossenen Inertial- Leitsystemen, verwendbar.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Stimmgabel zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Stimmgabel der Fig. 1, die mit zwei Elektrodenpaaren zur Erzeugung eines Ausgangssignals versehen ist;

Fig. 3 eine Aufsicht auf ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Sensorsystem mit zwei Stimmgabeln, wobei das Gehäuse nicht dargestellt ist;

Fig. 4 einen Schnitt durch das Sensorsystem der Fig. 3 und durch ein die Stimmgabel umgebendes Gehäuse;

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 der Fig. 3, wobei auch das Gehäuse und eine kapazitiv wirkende Elektrodeneinrichtung für eine Brückenschaltung dargestellt sind;

Fig. 6 ein Schaltbild der durch die Elektrodeneinrichtung der Fig. 5 gebildeten Kapazitätsbrücke;

Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles des Sensorsystems gemäß Fig. 3, wobei sowohl Elektroden der Antriebseinrichtung als auch eine Elektrodeneinrichtung, die auf die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Systems anspricht, gezeigt sind;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Ausgangseinrichtung für die Brückenschaltung der Fig. 7;

Fig. 9 ein der Fig. 8 ähnliches Blockschaltbild, das aber einen piezoelektrischen Ausgang zeigt, wie er mit der Elektrodenkonfiguration gemäß Fig. 13 erreichbar ist;

Fig. 10 eine Aufsicht auf ein bevorzugtes Sensorsystem mit zwei Stimmgabeln;

Fig. 11 eine schematische Darstellung der bei einer mechanischen Verformung am Schaft entstehenden Spannung;

Fig. 12 ein bevorzugtes Sensorsystem mit vier Stimmgabeln;

Fig. 13 eine vergrößerte Darstellung eines Teiles des Sensorsystems der Fig. 12, wobei die Elektroden der Antriebseinrichtung und auch die Elektrodeneinrichtung, die auf die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Systems anspricht, dargestellt sind; und

Fig. 14 ein bevorzugtes Sensorsystem mit acht Stimmgabeln.

Fig. 1 und 2 zeigen eine einfache Stimmgabel 10 zur Erläuterung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung. Die Stimmgabel 10 besteht aus einem piezoelektrischen Werkstoff, wie beispielsweise aus bestimmten, synthetischen Kristallen oder aus Quarz. Die Stimmgabel 10 weist zwei Schenkel 11, 12 sowie einen Schaft 13 auf. Die Schenkel 11, 12 können durch Anlegen eines elektrischen Feldes in Schwingungen versetzt werden, wie dies in Verbindung mit Fig. 4 und 6 erläutert werden wird. Zwei Elektroden 14 einer Antriebseinrichtung, die von den freien Enden der beiden Schenkel 11, 12 beabstandet angeordnet sind (Fig. 2), liefern kapazitiv eine Ausgangsgröße. Die Schenkel 11, 12 schwingen dabei zunächst aufeinander zu, wie dies durch Pfeile 15 gezeigt ist. In der nächsten Halbperiode schwingen die Schenkel 11, 12 voneinander weg, wie dies durch Pfeile 16 dargestellt ist. Die Stimmgabel 10 stellt einen symmetrischen Resonanzschwingkreis dar, weil die Schenkel 11, 12 symmetrisch sind.

Ein die Winkelgeschwindigkeit der Drehung anzeigendes Signal läßt sich mit Elektroden 17, 18 einer Elektrodeneinrichtung erzielen, die unmittelbar im Bereich zwischen den Schenkeln 11, 12 und dem Schaft 13 angeordnet sind. Die beiden Elektroden 17, 18 nehmen infolge der Auslenkung der Stimmgabel 10 unter der Winkelbewegung des Systems unterschiedliche Polaritäten an. Wenn eine Winkelbewegung ausgeübt wird, läßt sich die zeitliche Ableitung, d. h. die Winkelgeschwindigkeit der Bewegung, leicht erhalten.

Es wird nun angenommen, daß eine Stimmgabel einen Abstand von 0,5 cm vom Mittelpunkt der Bewegung bis zum Ende des Schenkels 11 oder einen Abstand von 0,2 cm für den von der Elektrode 14 bedeckten Teil des Schenkels 11, einen Abstand von 0,4 cm vom Bewegungsmittelpunkt zum Mittelpunkt der Elektrode 14, eine Breite jedes Schenkels von 0,05 cm und eine Dicke jedes Schenkels von 0,005 cm aufweist, während die halbe Amplitude der Schwingung 0,00025 cm, die Erregungsfrequenz 10 kHz und die spezifische Dichte des Quarzmaterials 2,6 g/cm³ betragen. Bei diesen Annahmen läßt sich der Winkelimpuls H errechnen:

H = 6,53×10^-4 g · cm²/s; (1)

Entsprechend erhält man ein Drehmoment T:

T = 1,89×10^-7 g · cm (2)

Die Auslenkung der Schenkel beträgt:

Y = 1,62×10^-7 cm (3)

Es läßt sich zeigen, daß die Wirkung N einer Vergrößerung der Stimmgabel, nicht aber ihrer Breite, mit der fünften Potenz der Vergrößerung der Abmessungen steigt. Es läßt sich also folgende Tabelle aufstellen:

Tabelle 1

Aus der Tabelle 1 ist also erkennbar, daß eine Vergrößerung der Stimmgabel eine erhebliche Zunahme der Auslenkung der Schenkel mit sich bringt.

Fig. 3 bis 9 und insbesondere Fig. 3 bis 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Sensorsystems. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Stimmgabeln vorgesehen, deren beide Achsen parallel zur Mittelachse verlaufen und von dieser beabstandet sind. Die ersten Schenkel 20, 21 der beiden Stimmgabeln bestehen aus einem einzelnen Abschnitt 22. Der Abschnitt 22 ist durch einen Spalt 23 in zwei Teile, die die beiden Schenkel 20, 21 bilden, unterteilt. Ein kleiner Steg 24 verbindet die beiden Teile 20, 21. Der andere Abschnitt 22′ ist genau symmetrisch zum Abschnitt 22 ausgeführt und weist die anderen Schenkel 20′, 21′ der beiden Stimmgabeln auf.

Die beiden Enden jedes der beiden Abschnitte 22, 22′ sind über ein Verbindungselement 25, 25′ miteinander verbunden. Das Verbindungselement 25 ist von den beiden Abschnitten 22, 22′ durch zwei Spalte 26, 26′ getrennt. Das andere Verbindungselement 25′ ist von den beiden Abschnitten 22, 22′ in derselben Weise getrennt.

Die beiden Verbindungselemente 25, 25′ bilden den Schaft. Sie sind jeweils über eine kleine Brücke 27, 27′ mit einem umgebenden Rahmen 30 verbunden, der von den beiden Abschnitten 22, 22′ getrennt ist. Wie Fig. 4 zeigt, kann die Stimmgabel von einem Gehäuse 31 umschlossen sein. Die Teile 20, 20′ bilden ein Schenkelpaar, während die Teile 21, 21′ das andere Schenkelpaar bilden.

Fig. 5 zeigt die Elektroden, die an den Enden eines Paares der Schenkel 20, 20′ einer Stimmgabel vorgesehen sein können. Der Schenkel 20 ist auf den sich gegenüberliegenden Seiten mit einer einzigen Elektrode 32, 33 versehen. Entsprechend ist der Schenkel 20′ mit einer einzigen Elektrode 34, 35 versehen. Eine der Innenflächen des Gehäuses 31 ist mit einer entsprechenden Innenelektrode 36 versehen, während die andere bzw. gegenüberliegende Innenfläche eine Innenelektrode 37 aufweist.

Die Ausgangseinrichtung 38 ist mit den beiden Innenelektroden 36, 37 des Gehäuses 31 verbunden. Zwischen den Elektroden 37 und 32 wird eine Kapazität 40, C 2 gebildet. Eine weitere Kapazität 41, C 4 besteht zwischen den Elektroden 33 und 36. Eine dritte Kapazität 42, C 1 wird zwischen den Elektroden 34 und 37 gebildet. Schließlich besteht eine vierte Kapazität 43 C 3 zwischen den Elektroden 35 und 36.

Ein Ausgangssignal der Brückenschaltung der Fig. 6 kann an dem Instrument 44 erhalten werden.

Die Ausgangseinrichtung mit der Kapazitätsbrücke der Fig. 6 ist in Fig. 8 gezeigt. Der Erregeroszillator 46 kann mit einer Vervielfacherschaltung 47 auf eine höhere Frequenz gebracht werden. Der Erregeroszillator 46 betreibt das Sensorsystem der Fig. 3. Ein Brückenverstärker 48 kann dazu dienen, das Ausgangssignal des Instrumentes 44 zu verstärken. Der folgende Phasendetektor 50 arbeitet mit einer Referenzphase aus der Vervielfacherschaltung 47, die an den Erregeroszillator 46 angeschlossen ist. Auf den Phasendetektor 50 folgen ein Filter 51 und ein Analog-Digital-Wandler 52, der einen Mikroprozessor, Linearisator, Anzeigetreiber und Digital-Analog-Wandler 53 ansteuert. Das Ausgangssignal kann daher an der Digital- Ausgangsleitung 54 oder an der Analog-Ausgangsleitung 55 abgenommen und an eine geeignete Anzeigevorrichtung angelegt werden.

Fig. 7 zeigt einen vergrößerten Teil des Sensorsystems der Fig. 3 und dessen Elektroden. Auf dem Schenkel 20 befinden sich zwei Elektroden 60, 61 der Antriebseinrichtung. Die beiden Elektroden 60, 61 sind voneinander geringfügig beabstandet, so daß ein elektrisches Feld zwischen ihnen entsteht, das den Schenkel 20 in Schwingungen versetzt. Die beiden Elektroden 60, 61 sind an Leitungen 62, 63 angeschlossen. Der andere Schenkel 20′ weist entsprechende Elektroden 60′, 61′ auf, die ebenfalls mit Leitungen versehen sind.

Eine Elektrode 64 ist mit einer anderen Elektrode 65 verbunden, die sich ebenfalls auf dem Schenkel 20 befindet. Die Elektroden 64, 65, die Bestandteil einer auf die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Systems ansprechenden Elektrodeneinrichtungen sind, sind mit dem Rahmen 30 verbunden. Der andere Schenkel 20′ ist mit entsprechenden Elektroden versehen.

Wie dies ersichtlich ist, sind die Elektroden 64, 64′ unmittelbar auf dem Schenkel angeordnet, um einen kapazitiven Ausgang zu bilden, wie Fig. 6 zeigt. Eine der Ausgangsleitungen (beispielsweise 62, 63) kann an Masse gelegt sein.

Fig. 9 zeigt eine piezoelektrische Ausgangsschaltung für die Elektroden der Fig. 13. Der Erregeroszillator 46 erregt wiederum das symmetrische Sensorsystem der Fig. 3 und 13 über die Leitungen 90, 91. In diesem Fall erscheint eine piezoelektrische Spannung an den Elektroden 96 und der entsprechenden verdeckten Elektrode infolge der im Kristall bei der Auslenkung der Schenkel auftretenden Verformungen. Ein Puffer- bzw. Trennverstärker 67 folgt auf das Sensorsystem der Fig. 3, 13. Dem Trennverstärker 67 sind ein Phasendetektor 50, ein Filter 51, ein Analog-Digital-Wandler 52 sowie ein Digital-Analog- Wandler 53 nachgeschaltet. Auch hier entsteht ein Digital- oder ein Analog-Ausgangssignal auf den Ausgangsleitungen 54, 55. Es sei darauf verwiesen, daß die Spalte (beispielsweise die Spalte 23, 26 in Fig. 3) es ermöglichen, die Masse der Schenkel zu vergrößern und damit die Resonanzfrequenz zu senken. Die Resonanzfrequenz der Schenkel in Richtung der Ausgang-Auslenkung läßt sich gleich der Frequenz des Erregersignals machen. Die Resonanzfrequenzen hängen also von der Masse der Schenkel (beispielsweise der Schenkel 20, 21) und den Abmessungen der Spalten 23, 26 ab. Diese Werte lassen sich beliebig wählen.

Fig. 10, 11 zeigen eine weitere Konfiguration des vorliegenden Sensorsystems. Wie Fig. 10 zeigt, sind zwei Stimmgabeln 70, 71 vorgesehen, die auf einer gemeinsamen Achse im rechten Winkel zum Schaft 72 angeordnet sind.

Der Schaft 72 ist vorzugsweise zwischen den beiden Wänden bzw. festen Elementen 73, 74 festgelegt. Vorzugsweise ist der Schaft 72 mit zwei symmetrischen, im wesentlichen rechtwinkligen Öffnungen 75, 75' versehen, und zwar primär, um das Gewicht des Schaftes 72 sowie seine Steifigkeit zu verringern. Es wird also auch die Resonanzfrequenz des Schaftes 72 sinken. Der Schaft 72 kann folglich seinerseits als Paar von Stimmgabeln dienen.

Fig. 11 zeigt die Polung der Ausgangsspannung an Kurven 76, 77, d. h. auf gegenüberliegenden Seiten des Schaftes 72.

Fig. 12, 13 zeigen eine weitere Konfiguration eines vorliegenden Sensorsystems, wobei zwei Paare von Stimmgabeln vorhanden sind. Wie Fig. 12 zeigt, sind ein erstes Paar von Stimmgabeln 83, 84 mit einer gemeinsamen Achse sowie ein zweites Paar Stimmgabeln 85, 86 ebenfalls mit einer gemeinsamen Achse vorgesehen, wobei die beiden Achsen vom Schaft 87 beabstandet sind. Die beiden Paare von Stimmgabeln 83, 84 sind über die Verbindungsstücke 88 mit dem Schaft 87 verbunden.

Fig. 13 zeigt an einem Beispiel, wie man die Stimmgabeln 83, 84 erregen kann. Die Eingangsleitungen 90, 91 aus dem Erregeroszillator sind so verschaltet, daß die Eingangsleitung 91 zu den Stimmgabeln 83, 84 führt. Gleichzeitig wird das obere Gehäuse 94 über die Eingangsleitung 90 - ebenso wie das untere Gehäuse 95 - erregt, so daß ein elektrisches Feld zwischen den Gehäusen 94, 95 und den Stimmgabeln 83, 84 liegt.

Eine der Elektroden 96 der auf die Winkelgeschwindigkeit der Drehung ansprechenden Elektrodeneinrichtung kann auf dem Verbindungsteil 88 angeordnet sein. Die andere Elektrode dieser Elektrodeneinrichtung liegt hinter der Elektrode 96 und ist in Fig. 13 nicht sichtbar.

Das Sensorsystem der Fig. 14 ist durch zwei Paare von jeweils vier Stimmgabeln gekennzeichnet. So hat ein erster Satz von Stimmgabeln 100, 101, 102 und 103 eine gemeinsame Achse. Ein zweiter Satz von vier Stimmgabeln 100′, 101′, 102′ und 103′ hat ebenfalls eine gemeinsame Achse. Die gemeinsamen Achsen sind von der Achse des Schaftes 105 beabstandet. Der Schaft 105 kann wiederum an beiden Enden mit einer rechtwinkligen Ausnehmung bzw. Öffnung 106 versehen sein, um sein Gewicht, seine Steifigkeit und damit seine Resonanzfrequenz zu verringern. Die Stimmgabeln - beispielsweise die Stimmgabeln 100 bis 103 - sind vom Schaft durch breite Spalte 107, 108 und 110 getrennt. Der Schaft kann wiederum zwischen den beiden Wänden bzw. festen Elementen 111, 112 festgelegt sein.

Der Schaft 105 kann mit einem Vordrall versehen, d. h. vorgespannt, sein, um eine Phasenverschiebung zu bewirken, so daß sich die Richtung der Winkelbewegung ebenso wie ihre Größe erfassen lassen. Der Schaft 105 kann also dazu verwendet werden, eine Ausgangsfrequenz zu verliefern, die höher als die Erregerfrequenz sein kann. Das gleiche gilt für den Schaft 72 der Fig. 10.

Die Elektroden werden vorzugsweise durch Goldplattierung hergestellt. Durch einen Laserabgleich lassen sich die beiden Schenkel jeder Stimmgabel symmetrieren. Dabei wird mit dem Laser ein geeigneter Teil der Elektrode eines Schenkels entfernt. Damit kann der Gütefaktor des Resonanzkreises erhöht werden.

Bei dem beschriebenen Sensorsystem bewirkt die Winkelbewegung des Systems jeweils eine Auslenkung des Schaftes im rechten Winkel zur Richtung der Schwingungen. Diese Auslenkung läßt sich entweder über einen Kapazitätseffekt, über einen Widerstandseffekt oder durch eine piezoelektrisch erzeugte Spannung messen. Desgleichen kann ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal erzeugt oder ein optischer Fühler verwendet werden. Bevorzugte Sensorsysteme erlauben eine Steuerung der Frequenz des Ausgangssignals im Hinblick auf die Schwingung der Systeme. Die vorliegenden Sensorsysteme lassen sich nach den Verfahrensweisen der Halbleitertechnologie weitaus kostengünstiger fertigen als herkömmliche Kreiselanordnungen. Zu den geringeren Kosten kommt vorteilhafterhafterweise die Genauigkeit der vorliegenden Sensorsysteme, die für die meisten Anwendungen - beispielsweise als Richtungs- und Fluglagereferenz in magnetisch oder schwerkraftkorrigierten Anwendungen oder auch als Referenzen mit der Qualität von Trägheitsreferenzen in in sich abgeschlossenen Inertial-Leitsystemen - mehr als ausreichen.

Claims (15)

1. Sensorsystem für die Winkelgeschwindigkeit, mit einer Stimmgabel, die in einer gemeinsamen Ebene zwei Schenkel und einen Schaft aufweist, mit einer an die Schenkel gekoppelten Antriebseinrichtung, die die Schenkel in Schwingungen mit einer Antriebsfrequenz versetzt, mit einer Elektrodeneinrichtung, die auf die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Systems um die Achse des Schaftes anspricht, und mit einer Ausgangseinrichtung, die einen Detektor für die Signale der Elektrodeneinrichtung und eine Einrichtung zur Erzeugung eines die Winkelgeschwindigkeit der Drehung anzeigenden Signales enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (11, 12) und der Schaft (13) der einen symmetrischen Resonanzfühler bildenden Stimmgabel (10) aus einem einzigen Kristall aus piezoelektrischem Material bestehen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (20, 20′, 21, 21′) rechtwinklig zum Schaft (25, 25′) angeordnet sind.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Stimmgabeln (70, 71) vorgesehen sind, die rechtwinklig zum Schaft (72) ausgerichtet sind, der zwischen zwei festen Elementen (73, 74) angeordnet ist.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Stimmgabeln (83, 84, 85, 86) vorgesehen sind, die jeweils paarweise entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, die parallel zum Schaft (87) verläuft, der zwischen zwei festen Elementen angeordnet ist und mit dem die Stimmgabeln (83, 84, 85, 86) über Verbindungsstücke (88) verbunden sind.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß acht Stimmgabeln (100, 101, 102, 103, 100′, 101′, 102′, 103′) vorgesehen sind, von denen vier Stimmgabeln (100, 101, 102, 103) entlang einer gemeinsamen ersten Achse und die anderen vier Stimmgabeln (100′, 101′, 102′, 103′) entlang einer gemeinsamen zweiten Achse angeordnet sind, daß die erste und die zweite Achse gleich weit vom gemeinsamen Schaft (105) entfernt sind und parallel zu diesem verlaufen, und daß der gemeinsame Schaft (105) zwischen zwei festen Elementen (111, 112) angeordnet ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrisches Material Quarz verwendet ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrisches Material ein synthetischer Kristall aus Äthlylendiamintartrat, Dikaliumtartrat oder Ammoniumdiwasserstoffphosphat verwendet ist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft zur Erzeugung eines Signals, das die Richtung der Winkelgeschwindigkeit angibt, mit einem Vordrall vorgespannt ist.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (72) zur Verringerung seines Gewichtes und seiner Steifigkeit mindestens einen rechteckigen Ausschnitt (75, 75′) aufweist.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor ein Phasendetektor (50) vorgesehen ist, der mit der am Schaft vorgesehenen Elektrodeneinrichtung verbunden ist.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung einen Erregeroszillator (46), eine mit jedem Schenkel (20, 20′) verbundene erste Elektrode (60, 60′) und eine mit jedem Schenkel (20, 20′) verbundene Zweite Elektrode (61, 61′), die jeweils von der ersten Elektrode (60, 60′) beabstandet ist, aufweist und daß die ersten und zweiten Elektroden mit dem Erregeroszillator (46) verbunden sind.

12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtung ein Paar von Ausgangselektroden (64, 65, 64′, 65′) für jeden Schenkel (20, 20′) aufweist.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektroden (64, 65, 64′, 65′) an den Phasendetektor (50) und der Phasendetektor (50) an den Erregeroszillator (46) angeschlossen sind.

14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von Schenkeln (20, 20′, 21, 21′) zwei parallele Abschnitte vorgesehen sind, die jeweils in der Mitte mit einem ersten Spalt (23) ausgebildet sind, wobei ein kleiner Steg (24) zwischen den beiden Teilen jedes Abschnittes verbleibt und jeder Teil einen Schenkel (20, 20′, 21, 21′) einer Stimmgabel bildet, daß die Abschnitte an jedem Ende jeweils durch ein Verbindungselement miteinander verbunden sind, das einen Schaft (25, 25′) bildet, daß jedes der Verbindungselemente vom zugehörigen Abschnitt durch einen die Eingangsträgheit bestimmenden zweiten Spalt (26, 26′) getrennt ist, der eine kleine Brücke zwischen jedem Verbindungselement und dem zugehörigen Abschnitt bestehen läßt, und daß die Resonanzfrequenz der Schenkel (20, 20′, 21, 21′) und die Frequenz des die Winkelgeschwindigkeit der Drehung anzeigenden Signales durch die Abmessungen der Spalte und der Teile und durch die Massen der Abschnitte, Teile und Verbindungselemente bestimmt sind.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (31) vorgesehen ist, daß als Antriebseinrichtung auf jedem Schenkel (20, 20′) ein paar von Elektroden vorgesehen ist, daß die Elektrodeneinrichtung auf jedem Schenkel (20, 20′) Ausgangselektroden (64, 65, 64′, 65′) aufweist, die ein elektrisches Signal erzeugen, das der Auslenkung der Schenkel (20, 20′) entspricht, und daß auf der Innenfläche des Gehäuses (31) den Schenkeln (20, 20′) gegenüberliegend und von diesen beabstandet Innenelektroden (36, 37) vorgesehen und mit einem Erregeroszillator verbunden sind.