DE3539552C2 - Winkelgeschwindigkeitssensor, insbesondere für die Flugzeugnavigation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor, insbesondere für die Flugzeugnavigation, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Es sind Geräte zur Erfassung mehrerer Parameter, wie beispielsweise eines magnetischen Feldes, eines elektrischen Feldes, einer Gasströmung, einer linearen Beschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit, bekannt, welche insbesondere für die Verwendung in Flugzeugen bestimmt sind und mehrere einer gemeinsamen, drehbar gelagerten Welle zugeordnete Sensoren sowie eine Kommutatoreinrichtung für die elektrischen Ausgangssignale der Sensoren aufweisen, bei denen es sich um Wechselspannungen handelt, deren augenblickliche größte Amplituden dem Vektor der jeweils gemessenen physikalischen Größe in einer vorgegebenen Ebene, wie beispielsweise einer zur Drehachse der Welle senkrechten Ebene, im wesentlichen entsprechen (US-PS 41 97 737).

Jede Winkelgeschwindigkeit um irgendeine zur Welle senkrechte Achse wird bei diesen bekannten Geräten mittels zweier biegsamer piezoelektrischer Kristallglieder festgestellt, welche radial von der Welle abstehen und Biegeachsen aufweisen, die senkrecht zur Welle verlaufen. Es hat sich herausgestellt, daß lineare Beschleunigung Auswirkungen auf den Winkelgeschwindigkeitssensor hat, welche sich in dessen elektrischem Ausgangssignal in unerwünschter Weise bemerkbar machen. Um diese Veränderungen des elektrischen Ausgangssignals auszuschalten, ist es erforderlich, mehrere Schleifringe, Trennverstärker und Signalkonditionierer zur Signalmischung vorzusehen. Auch muß ein Zweiphasenabgriff vorgesehen werden, um die lineare Beschleunigung richtig zu erfassen. Die Kompensation der Auswirkungen der linearen Beschleunigung erfolgt auf Systemniveau, was teuer und der Zuverlässigkeit abträglich ist.

Zum Stand der Technik gehört auch (US-PS 44 62 254) ein Winkelgeschwindigkeits-und Linearbeschleunigungssensor für Flugzeuge, Raketen, Raumfahrzeuge und dergleichen mit zwei gemeinsam um dieselbe Laufachse rotierenden Paaren von biegsamen piezoelektrischen Kristallgliedern, welche sich jeweils radial zur Laufachse erstrecken. Die beiden Kristallglieder des einen Kristallgliederpaares liegen einander bezüglich der Laufachse diametral gegenüber, weisen zur Laufachse senkrechte Biegeachsen und zur Laufachse parallele Empfindlichkeitsachsen auf und dienen zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten um Achsen, die senkrecht zur Laufachse orientiert sind. Die beiden Kristallglieder des anderen Kristallgliederpaares schließen vorzugsweise einen Winkel von 90° ein, weisen zur Laufachse parallele Biegeachsen und zur Laufachse senkrechte Empfindlichkeitsachsen auf und dienen zur Messung von Linearbeschleunigungen in der entsprechenden, zur Laufachse senkrechten Ebene. Die elektrischen Ausgangssignale dieser Kristallglieder zur Linearbeschleunigungsmessung können in einer besonderen elektrischen Schaltung mit den elektrischen Ausgangssignalen der Kristallglieder zur Winkelgeschwindigkeitsmessung kombiniert werden, um diejenige Störkomponente aus den letztgenannten Signalen zu eliminieren, welche aus Linearbeschleunigungsauswirkungen auf die Kristallglieder zur Winkelgeschwindigkeitsmessung resultiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeschwindigkeitssensor, insbesondere für die Flugzeugnavigation, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben Art zu schaffen, welcher selbst die Auswirkungen linearer Beschleu­ nigung kompensiert, also deren Kompensation auf Sensorniveau gewährlei­ stet.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs­ gemäßen Winkelgeschwindigkeitssensors sind in den restlichen Patentansprü­ chen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensor ist zusätzlich zu mindestens einem Paar von biegsamen piezoelektrischen Kristallgliedern, weiche dipolartig angeordnet sind, mit hoher Geschwindigkeit um eine Lauf­ achse gedreht werden und auf jede Winkelgeschwindigkeit um irgendeine zur Laufachse orthogonale Achse dynamisch reagieren, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das der jeweiligen eingangsseitigen Winkelge­ schwindigkeit proportional ist, ein weiteres, mit dem Kristallgliederpaar mechanisch und elektrisch verbundenes, biegsames piezoelektrisches Kristall­ glied zur Kompensation derjenigen unerwünschten Komponente des elektri­ schen Ausgangssignals des Kristallgliederpaares vorgesehen, welche eine Folge der Auswirkungen linearer Beschleunigung auf die Kristallglieder des Paares ist. Die Empfindlichkeitsachse des weiteren Kristallgliedes ist so angeordnet, daß die Auswirkungen der linearen Beschleunigung vollständig auf das Kristallgliederpaar gekoppelt werden. Das elektrische Ausgangssignal des weiteren Kristallgliedes wird unter entsprechender Amplituden- und Phasenanpassung dem elektrischen Ausgangssignal des Kristallgliederpaa­ res hinzugefügt, um auszuschließen, daß das unerwünschte Ansprechen des Winkelgeschwindigkeitssensors auf lineare Beschleunigung sich in seinem elektrischen Ausgangssignal bemerkbar macht.

Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Winkelgeschwin­ digkeitssensors anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigen schematisch:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines bekannten Winkelgeschwin­ digkeitssensors;

Fig. 2A bis 2D jeweils eine Draufsicht auf den Winkelgeschwindigkeits­ sensor gemäß Fig. 1 in größerem Maßstab, und zwar in verschiedenen gegenseitig um 90° versetzten Drehstellun­ gen, welche der Winkelgeschwindigkeitssensor bei einer Umdrehung nacheinander durchläuft;

Fig. 3A bis 3D jeweils die Seitenansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß Fig. 2A bzw. 2B bzw. 2C bzw. 2D;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der elektrischen Ausgangs­ signale der beiden Kristallglieder des Winkelgeschwindig­ keitssensors gemäß Fig. 1 während der in Fig. 2A bis 2D und Fig. 3A bis 3D veranschaulichten Umdrehung;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des aus den Signalen gemäß Fig. 4 gewonnenen elektrischen Ausgangssignals des Winkel­ geschwindigkeitssensors gemäß Fig. 1; und

Fig. 6 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Winkelge­ schwindigkeitssensors.

Der bekannte Winkelgeschwindigkeitssensor nach US-PS 41 97 737 weist gemäß Fig. 1 eine Welle 11, zwei biegsame piezoelektrische Kristalle bzw. Kristallglieder 16 und eine ringförmige Reaktionsmasse 17 auf. Die beiden Kristallglieder 16 stehen auf einander gegenüberliegenden Seiten radial von der Welle 11 ab und sind um Achsen biegbar, welche senkrecht zur Längsachse der Welle 11 verlaufen. Die Reaktionsmasse 17 ist symmetrisch an den äußeren Enden der beiden Kristallglieder 16 befestigt. Die Wirkungs­ weise des Winkeigeschwindigkeitssensors beruht auf der Kreiselwirkung eines elastisch gefesselten Körpers, welcher mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Die beiden Kristallglieder 16 sind zur Gleichtaktunterdrückung und zum Trägheitsausgleich dipolartig angeordnet. Der Drehimpuls der Massen führt bei dem Auftreten einer zur Drehachse der Welle 11 senkrechten Winkelge­ schwindigkeit dazu, daß die beiden Kristallglieder 16 jeweils eine sinusförmig verlaufende Spannung erzeugen, deren Frequenz mit der Drehzahl der Welle 11 identisch ist.

Wenn die Welle 11 kontinuierlich entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft, dann nehmen die beiden Kristallglieder 16 bei jeder Umdrehung nacheinander die Stellungen gemäß Fig. 2A bis 2D ein. Wenn dabei die Längsachse der Welle 11 um den Winkel α ausgelenkt wird, wie in Fig. 3A bis 3D darge­ stellt, dann nehmen zwar die Welle 11 und eine darauf sitzende Nabe 18, in welcher die beiden Kristallglieder 16 angebracht sind, infolge ihrer ent­ sprechenden Starrheit ihre neuen Positionen im wesentlichen augenblicklich ohne Verformung ein, jedoch bleiben die äußeren Enden der beiden Kristall­ glieder 16 aufgrund von Kreiselwirkung noch einige Zeit lang so orientiert, als ob die Welle 11 sich nicht geneigt hätte, insbesondere dann, wenn an den äußeren Enden die Reaktionsmasse 17 befestigt ist. Dieses hat zur Folge, daß die beiden Kristallglieder 16 sich um ihre mechanischen Achsen biegen, wie in Fig. 3A bis 3D dargestellt, und die in Fig. 4 veranschaulich­ ten Wechselspannungen liefern, deren augenblickliche Spitzen dann auftreten, wenn die beiden Kristallglieder 16 sich senkrecht zu derjenigen Achse er­ strecken, um welche die Welle 11 um den Winkel α gedreht worden ist. Da die beiden Kristallglieder 16 elektrische Ausgangssignale unterschiedli­ cher Polarität liefern, werden sie in umgekehrten Richtungen zusammenge­ schaltet, um die resultierende Wechselspannung gemäß Fig. 5 zu erhalten, welche das elektrische Ausgangssignal des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß Fig. 1 darstellt.

Die beiden Kristallglieder 16 werden unabhängig davon, ob nun die Reaktions­ masse 17 vorgesehen ist oder nicht, als Kreiselelemente verwendet, und die Belastung der beiden Kristallglieder 16 ist proportional zur eingangssei­ tigen Winkelgeschwindigkeit, ebenso wie die Amplitude des elektrischen Ausgangssignals, dessen Phase von der Richtung der Winkelgeschwindigkeit abhängt, mit welcher die rotierende Welle 11 in einer zu ihrer Längsachse senkrechten Richtung ausgelenkt wird. Wenn sich also die Welle 11 in der Z-Richtung erstreckt und um eine Achse in der X/Y-Ebene gedreht wird, dann ist das elektrische Ausgangssignal des Wendekreisels bzw. Winkelge­ schwindigkeitssensors gemäß Fig. 1 zur Drehgeschwindigkeit um die Achse in der X/Y-Ebene proportional und hängt die Phase des elektrischen Ausgangs­ signals von der Orientierung der Drehachse in der X/Y-Ebene ab.

Bei dem erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Fig. 6 ist der der Winkelgeschwindigkeitsmessung dienende Teil 20 dem bekannten Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Fig. 1 ähnlich. Von einer mittleren Nabe 22 mit einer mittleren Bohrung 24, welche koaxial zur Laufachse 25 angeordnet ist, stehen zwei biegsame piezoelektrische Kristalle bzw. Kristallglieder 26 und 28 radial auf einander gegenüberliegenden Seiten ab, welche dieselbe Funktion haben, wie die Kristallglieder 16 des bekannten Winkelgeschwindigkeitssensors, jeweils aus zwei zueinander parallelen piezo­ elektrischen Kristallelementen 30 und 32 bzw. 34 und 36 bestehen und ent­ sprechend dem Doppelpfeil gemäß Fig. 6 in einer die Laufachse 25 enthal­ tenden Ebene biegbar sind. Zusätzlich weist der erfindungsgemäße Winkelge­ schwindigkeitssensor einen Teil 38 zur Reduzierung bzw. Eliminierung der unerwünschten Auswirkungen linearer Beschleunigung auf das elektrische Ausgangssignal des Teils 20 auf, wozu die beiden Teile 20 und 38 nicht nur mechanisch, sondern auch elektrisch miteinander verbunden sind.

Der Teil 38 zur Kompensation der Auswirkungen linearer Beschleunigung weist ebenfalls eine mittlere Nabe 40 mit einer mittleren, zur Laufachse 25 koaxialen Bohrung 42 auf, welche aus einem geeigneten, beispielsweise kera­ mischen Material besteht und von welcher ein biegsamer piezoelektrischer Kristall bzw. ein biegsames piezoelektrisches Kristallglied 44 senkrecht zur Laufachse 25 absteht, weiches aus zwei zueinander parallelen piezoelektri­ schen Kristallelementen 46 und 48 besteht und sich in einer zur Laufachse 25 senkrechten Ebene biegen kann, wie der Doppelpfeil in Fig. 6 veranschau­ licht. Am äußeren Ende ist das Kristallglied 44 mit einem Gewicht 50 ver­ sehen.

Die beiden Naben 22 und 40 werden auf einer gemeinsamen Welle 52 befe­ stigt, welche sich durch die Bohrung 24 der Nabe 22 und die Bohrung 42 der Nabe 40 erstreckt, so daß die beiden Teile 20 und 38 des Winkelgeschwin­ digkeitssensors sich koaxial zur gemeinsamen Laufachse 25 erstrecken, welche mit der Längsachse der Welle 52 zusammenfällt.

Aufgrund seiner Orientierung spricht das zusätzliche Kristallglied 44 auf Winkelgeschwindigkeit nicht merklich an, wohl aber vollständig auf lineare Beschleunigung. Durch Anordnung der beiden Teile 20 und 38 bzw. des Kri­ stallgliederpaares 26, 28 und des zusätzlichen Kristallgliedes 44 mit einem entsprechenden gegenseitigen Drehversatz auf der Welle 52 bzw. auf der Laufachse 25 läßt sich erreichen, daß das elektrische Ausgangssignal des Kristallgliedes 44 bei linearer Beschleunigung dieselbe Phase hat wie die daraus resultierende Komponente des elektrischen Ausgangssig­ nals des Kristallgliederpaares 26, 28. Die tatsächliche Orientierung des zusätzlichen Kristallgliedes 44 bezüglich des Kristallgliederpaares 26, 28 muß wegen der sehr kleinen Abweichungen des jeweiligen piezoelektrischen Kristallmaterials von der idealen Kristallstruktur durch Versuch festgelegt werden. Das Gewicht 50 am äußeren Ende des zusätzlichen Kristallgliedes 44 dient dazu, eine für die Kompensation der Auswirkungen linearer Beschleu­ nigung ausreichende Amplitude des elektrischen Ausgangssignals des Kristall­ gliedes 44 zu gewährleisten und kann beispielsweise aus Lötmaterial beste­ hen, so daß es möglich ist, durch Zusatz oder Wegnahme von Lötmaterial am Ende des Kristallgliedes 44 eine genaue Kompensationsamplitude seitens desselben zu erhalten.

Um seinen Zweck zu erfüllen, muß das kompensierende Kristallglied 44 mit dem Kristallgliederpaar 26, 28 zur Winkelgeschwindigkeitsmessung elek­ trisch verbunden sein. Dazu dienen zwei Drähte 54 und 56, welche jeweils das eine piezoelektrische Kristallelement 46 des zusätzlichen Kristallgliedes 44 mit einem piezoelektrischen Kristallelement 34 des einen Kristallgliedes 28 an der Nabe 22 bzw. das andere piezoelektrische Kristallelement 48 des zusätzlichen Kristallgliedes 44 mit einem piezoelektrischen Kristallele­ ment 32 des anderen Kristallgliedes 26 an der Nabe 22 verbinden. Die beiden anderen piezoelektrischen Kristallelemente 30 und 36 des Kristallgliederpaa­ res 26, 28 sind durch einen Kurzschlußdraht 58 miteinander verbunden.

Bei dem Zusammenbau des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß Fig. 6 wird dessen Kompensationsteil 38 auf der Welle 52 so weit gegenüber dem Teil 20 zur Winkelgeschwindigkeitsmessung gedreht, bis die genaue Kompen­ sationsphase erzielt ist. Dann wird die Nabe 40 mit der Nabe 22 mittels eines geeigneten Epoxydharzklebers verklebt. Statt dessen kann die Befesti­ gung auch so erfolgen, daß die Welle 52 mit einem Außengewinde versehen wird, welches sowohl das Drehen der Nabe 40 auf der Laufachse 25 als auch deren anschließende Verspannung mit der anderen Nabe 22 erlaubt, wobei die Welle 52 also als Gewindebolzen dient.

Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Fig. 6 ist also hinsichtlich der Auswirkungen linearer Beschleunigung kompensiert. Der geschilderte Kompen­ sationsteil 38 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches der den Aus­ wirkungen entsprechenden Komponente des elektrischen Ausgangssignals des Teils 20 zur Winkelgeschwindigkeitserfassung hinsichtlich Amplitude und Phase angepaßt ist und diesem elektrischen Ausgangssignal hinzugefügt wird, um dessen Linearbeschleunigungskomponente zu eliminieren und zu vermeiden, daß sich das unerwünschte Ansprechen des Teiles 20 auf lineare Beschleunigung im elektrischen Ausgangssignal des Winkelgeschwindigkeits­ sensors bemerkbar macht. Die Kompensation der unerwünschten Auswirkun­ gen linearer Beschleunigung erfolgt also auf Sensorniveau und erfordert keine äußere Signalverarbeitung.

Claims (4)

1. Winkelgeschwindigkeitssensor, insbesondere für die Flugzeugnavigation, mit mindestens einem um eine Laufachse rotierenden Paar von biegsamen piezoelektrischen Kristallgliedern zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals entsprechend der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit um eine zur Laufachse senkrechte Achse, wobei das Kristallgliederpaar an einer zur Laufachse koaxialen Nabe vorgesehen ist, von welcher die beiden Kristallglieder auf einander gegenüberliegenden Seiten radial zur Laufachse abstehen, gekennzeichnet durch ein weiteres, zusammen mit dem Kristallgliederpaar (26, 28) um die Laufachse (25) rotierendes biegsames piezoelektrisches Kristallglied (44) zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Ausgangssignals bei linearer Beschleunigung, welches

• a) von einer zur Laufachse (25) koaxialen Nabe (40) radial zur Laufachse (25) absteht,
• b) neben dem Kristallgliederpaar (26,28) angeordnet und gegenüber dem­ selben um die Laufachse (25) derart drehversetzt ist, daß das elektrische Ausgangssignal des weiteren Kristallgliedes (44) und die aus den Auswir­ kungen der linearen Beschleunigung auf das Kristallgliederpaar (26, 28) resultierende Komponente von dessen elektrischem Ausgangssignal pha­ sengleich sind,
• c) am äußeren Ende mit einem Gewicht (50) zur Einstellung der Amplitude seines elektrischen Ausgangssignals entsprechend derjenigen der aus den Auswirkungen der linearen Beschleunigung auf das Kristallglieder­ paar (26, 28) resultierenden Komponente von dessen elektrischem Ausgangssignal versehen ist und
• d) mit dem Kristallgliederpaar (26, 28) elektrisch verbunden ist zur Elimi­ nierung der aus den Auswirkungen der linearen Beschleunigung auf das Kristallgliederpaar (26, 28) resultierenden Komponente von des­ sen elektrischem Ausgangssignal.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Naben (22, 40) miteinander verklebt sind.

3. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Naben (22, 40) mittels eines mittleren Gewindebolzens (52) miteinander verschraubt sind.

4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kristallglieder des Kristallgliederpaares (26, 28) und das weitere Kristallglied (44) jeweils aus zwei Kristallelementen (30, 32; 34, 36; 46, 48) bestehen, wobei die zwei Kristallelemente (46, 48) des weiteren Kristallgliedes (44) jeweils mit einem Kristallelement (34 bzw. 32) des einen bzw. des anderen Kristallgliedes (28 bzw. 26) des Kristallgliederpaares (26, 28) elektrisch verbunden sind, dessen beide anderen Kristallelemente (30, 36) kurzgeschlossen sind.