DE4336004C2 - Schwingungsgyroskop - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwingungsgyroskop nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für Schwingungsgyroskope bzw. Drehgeschwindigkeitssensoren oder Gyrosensoren gibt es vielfältige Anwendungsgebiete, z. B. in der Robotik, in der Chassis-Lageregelung von Transportfahrzeugen, in Anti-Blockier-Systemen (ABS), bei Antischlupfregelungen (ASR), bei Vierradantrieben, in der Navigation oder bei der Bildstabilisierung von CCD-Kameras (Verwackelschutz), um nur einige zu nennen. Dem hohen Bedarf steht ein vergleichsweise geringes Angebot geeigne­ ter Gyrosensoren gegenüber. Dies hat im wesentlichen zwei Gründe. Erstens gibt es im Unterschied zur Messung anderer physikalischer Größen nur sehr wenige physikalische Prin­ zipien, die sich zur Realisierung von Gyrosensoren eignen. Dabei handelt es sich etwa um das Prinzip der Drehimpul­ serhaltung oder den Sagnac-Effekt. Zweitens werden Gyro­ sensoren historisch bedingt in erster Linie zum Zwecke der Navigation in den Bereichen der Schiffahrt, der Luftfahrt und der Raumfahrt entwickelt und verwendet, wobei die Sen­ sorkosten im Vergleich zu den Systemkosten praktisch ver­ nachlässigbar sind.

Die zur Messung von Drehgeschwindigkeiten und zur Naviga­ tion verwendeten mechanischen Kreiselsysteme oder linearen Schwinger arbeiten nach dem Prinzip der Drehimpulserhal­ tung. Die dabei verwendeten kardanisch gelagerten Kreisel­ massen oder "Strap-Down"-Systeme erfordern einen sehr großen mechanischen und regelungstechnischen Aufwand.

Auch bei optischen Drehgeschwindigkeitssensoren, wie Laser- oder Lichtfaserkreisel, die auf dem Sagnac-Effekt basieren, ist ein beträchtlicher Aufwand zur Stabilisie­ rung der Meß-Signals und zur Unterdrückung verschiedener Störeffekte notwendig. Aufgrund der hohen Herstellungs- und Betriebskosten bleiben derartige Komponenten in der Anwendung daher weiterhin auf hochkomplexe System z. B. in der Luft- und Raumfahrt beschränkt.

Anordnungen mit linearen Schwingern in Form von piezoelek­ trischen Stimmgabel-Gyroskopen sind wesentlich kompakter aufgebaut. Sie sind in unterschiedlichen Bauformen seit längerem kommerziell erhältlich und beispielsweise aus JEE, September 1990, Seiten 99 bis 104 bekannt. Wegen der für viele Anwendungen noch zu hohen Störempfindlichkeit haben sie aber keine weite Verbreitung gefunden. Die zur Verringerung der Störempfindlichkeit notwendigen Maßnahmen wie Abschirmung, Kapselung, gedämpfte Aufhängung oder Tem­ perierung machen die theoretischen Vorteile der nach die­ sem Verfahren arbeitenden Gyroskope in der Praxis bisher wieder zunichte.

Aus Hewlett Packard Journal, Dez. 1981, S. 18-20 ist allgemein bekannt, Oberflächenwellen­ bauelemente zur Messung mechanischer Kräfte zu verwenden.

Weitere Stimmgabel-Gyroskope und solche mit in Schwingungen zu versetzenden Kantilever-Stäben mit auf deren Oberfläche jeweils aufgesetzten dreidimensionalen Piezokörpern als Sensoren/Detektoren sind aus DE-A-34 17 858 und US-A-3520195 bekannt. Störempfindlichkeit ergibt sich insbesondere durch solche aufgesetzten Piezo-Sensorkörper, weil deren Montage- Klebstellen nicht nur das Schwingungsverhalten der Gyroskope beeinflussen, sondern auch Drift- und/oder Temperaturbeein­ flussungen der Sensor-Meßwerte herbeiführen.

Ein Gyroskop mit kapazitiver oder piezoresistiver Erfassung der Auslenkungen ist desweiteren aus der DE-A-40 32 559 für ein solches nach dem Stimmgabelprinzip bekannt. Gyroskope mit planaren Schwingungselementen sind bekannt aus der DE-A- 35 09 948 und der US-A-4689992. Beim Gyroskop der letztgenann­ ten Druckschrift ist wie auch für die Stimmgabel-Ausführungen und solche mit Kantilever-Stäben wiederum ein piezoelektri­ scher Sensor vorgesehen, der auf den eigentlichen Schwinger­ körper aufgesetzt ist, der eine piezoelektrische Bi-Morph- Biegeschwingerzunge ist.

Bei allen diesen Gyroskopen der vorgenannten Druckschriften wird von dem jeweils verwendeten Detektor eine elektrische Spannung als Gyro-Meßsignal abgegeben, das erheblich störsi­ gnal-behaftet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach herstellbares und störungssicheres Schwingungsgyro­ skop der in Rede stehenden Art anzugeben. Die Aufgabe wird mit einem Schwingungsgyroskop gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Dar­ stellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwingungsgyroskops;

Fig. 2A und B eine Darstellung der Schwingungsform eines Schwingungsgyroskops nach Fig. 1 bzw. eine ebene schematische Darstel­ lung eines solchen Schwingungsgyroskops mit auf ihm angeordnete Detektoren für mechanische Spannungen; und

Fig. 3 bis Fig. 7 jeweils eine schematische Darstellung von weiteren Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Schwingungsgyroskops.

Generell wird ein erfindungsgemäßes Schwingungsgyroskop durch einen Schwinger, Mittel zur Anregung einer Schwin­ gung im Schwinger und mindestens zwei Detektoren zur Detek­ tierung von mechanischen Spannungen, die durch Coriolis­ kräfte bei Drehung des Schwingers auftreten, gebildet. Der Schwinger ist als planares Substrat ausgebildet, bei dem auf einer ebenen Oberfläche die Detektoren angeordnet sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist ein Schwinger 10 als an seinen Enden in Einspannungen 15 eingespannter fla­ cher Balken ausgebildet. Diese Art der Einspannung ist so nicht zwingend erforderlich. Generell erfindungswesentlich ist, daß der Schwinger 10 in mindestens einem Schwingungs­ knoten gelagert ist.

Als Mittel zur Schwingungsanregung sind mehrere Ausfüh­ rungsformen möglich. Wird der Schwinger 10 als Schwinger­ substrat wenigstens teilweise aus piezoelektrischem Mate­ rial hergestellt, so kann als Mittel zur Schwingungsanre­ gung eine Elektrodenstruktur auf dem piezoelektrischen Substratmaterial vorgesehen werden. Dabei kann es sich insbesondere um eine metallisierte piezoelektrische Folie auf dem Schwingersubstrat handeln. Für derartige pie­ zoelektrische Folien kommt als Material Polyvinylidenfluo­ rid (PVDF) in Betracht. Derartige piezoelektrische Folien sind beispielsweise in der Solveigh-Information "SOLEF Piezoelektrische Folien aus Polyvinylidenfluorid (PVDF)" beschrieben.

Die Anregungsmittel sind so ausgebildet, daß sich im Schwinger 10 eine 2×λ/2-Schwingung ergibt, wobei λ die Wellenlänge der Schwingung entsprechend einer stehen­ den Welle zwischen Einspannungen 15 des Schwingers bzw. Schwingersubstrates 10 bedeutet, die in Fig. 2A dargestellt sind. Zur Anregung einer derartigen Schwingung können auf dem Schwingersubstrat 10 getrennte metalli­ sierte piezoelektrische Folien bzw. PVDF-Folien 11, 12 vorgesehen sein, welche mit elektrischen Anschlüssen 13 bzw. 14 versehen sind, so daß entsprechende elektrische Wechselsignale in die Folien 11, 12 eingespeist werden können, um die 2×λ/2-Schwingung gemäß Fig. 2A anzuregen.

Für eine derartige Schwingungsanregung müssen nicht unbe­ dingt getrennte metallisierte piezoelektrische Folien 11, 12 in der in Fig. 1 dargestellten Weise vorgesehen sein. Vielmehr kann auch (in Fig. 1 nicht eigens dargestellt) eine durchgehende piezoelektrische Folie mit entsprechend strukturierten Metallisierungen vorgesehen sein.

Da PVDF-Folien der vorgenannten Art eine geringe Dicke in der Größenordnung von ca. 1 µm bis 500 µm und einen niedri­ gen Elastizitätsmodul besitzen, wird der Schwinger 10 in seinen Schwingungseigenschaften nur wenig beeinflußt. Besonders wirkungsvoll ist dabei die Verwendung einer monoaxial gereckten PVDF-Folie, die einen besonders großen Längseffekt aufweist.

Die gegenphasige Bewegung der beiden Schwingungsbäuche, die gestrichelt bzw. ausgezogen dargestellt sind, führt bei einer 2×λ/2-Schwingung gemäß Fig. 2A bei einer Dre­ hung des Schwingers 10 um seine Längsachse, wie durch einen Pfeil 16 in Fig. 2A und B dargestellt, zu Coriolis­ kräften, die eine periodische Torsion des planaren Schwin­ gers 10 bewirken. Dadurch entstehen im Schwinger komple­ mentäre Schub- und Druckspannungskomponenten.

Zur Detektierung dieser mechanischen Spannungen sind auf dem Schwinger 10 ein Spannungsdetektoren vorgese­ hen, die als mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Bauelemente (OFW-Bauelement) ausgebildet sind. Die Detektoren sind bei Anregung einer 2×λ/2-Schwingung vorzugs­ weise im Bereich des Schwingungsknotens (siehe Fig. 2A) angeordnet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind zwei unter einem Winkel zueinander angeordnete Detektoren 20 und 21 symmetrisch zur Drehachse angeordnet, wie dies schematisch in Fig. 2B dargestellt ist. In Fig. 2B sind weiterhin die komplementären Schub- bzw. Druckspannungs­ komponenten durch Pfeile 22 und 23 angedeutet.

Als Detektoren in Form von OFW-Bauelementen sind im Prin­ zip alle in der OFW-Bauelemente-Technik an sich bekannten Bauelementeformen wie beispielsweise Resonatoren, Verzöge­ rungsleitungen oder Interdigitalwandler verwendbar. In Fig. 2B ist dabei schematisch angedeutet, daß es sich bei den OFW-Detektoren 20 und 21 beispielsweise um aufgeteilte Resonatoren handeln kann.

Derartige OFW-Bauelemente zeigen eine ausgeprägte Abhän­ gigkeit der Ausbreitungsparameter von akustischen Oberflä­ chenwellen von äußeren physikalischen Einflüssen. Insbe­ sondere reagieren sie sehr empfindlich auf mechanische Dehnungen/Stauchungen, wobei etwa zwischen der OFW-Resona­ tormittenfrequenz bzw. der OFW-Signallaufzeit einer Verzö­ gerungsleitung und der Höhe der mechanischen Dehnung ein annähernd linearer Zusammenhang besteht. Zur Erzielung einer maximalen Empfindlichkeit erfolgt die Orientierung der OFW-Bauelemente unter einem Winkel symme­ trisch zur Schwingersubstrat-Längsachse in Richtung der maximalen Schub/Druckspannungskomponenten. Für eine mög­ lichst hohe Gleichtaktunterdrückung von Störeffekten jeg­ licher Art (mechanische Erschütterungen, Temperaturein­ flüsse, elektrische Einstreuungen usw.) sind die OFW-Bau­ elemente möglichst nahe beieinander angeordnet, wobei sich die OFW-Ausbreitungspfade wie bei dem in Figure 2B gezeig­ ten Ausführungsbeispiel gegenseitig durchdringen.

Bei der Ausbildung der Detektoren in Form von OFW-Bauele­ mente ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Schwingers 10 als planares Substrat der wesentliche Vor­ teil, daß ein planares Substrat die Ausnutzung aller in der Halbleitertechnologie üblicherweise zur Anwendung kom­ menden Verfahren ermöglicht, so daß die Herstellung von Schwingungsgyroskopen sehr einfach wird und durch die praktisch freie Wahl der geometrischen Anordnung der De­ tektoren eine hohe Genauigkeit und Störsicherheit reali­ sierbar ist.

Zur Erzielung einer hohen Meßempfindlichkeit müssen Biege­ resonanzfrequenz und Torsionsresonanzfrequenz so aneinan­ der angepaßt werden, daß eine möglichst effiziente Moden­ kopplung erfolgen kann.

Da die maßgebliche Torsionsresonanz eines homogenen dünnen Substrats als Schwinger über der 2×λ/2-Biegeresonanz liegt, muß die Torsionsresonanzfrequenz herabgesetzt oder die Biege­ resonanzfrequenz erhöht werden. Dies kann durch bauliche Optimierung des Schwingers 10 auf verschiedene Weise erreicht werden, wie dies in den Fig. 3 bis 7 darge­ stellt ist.

Beispielsweise kann gemäß Fig. 3 durch Längsschlitze 30 auf der Rückseite des Schwingers 10 die Torsions­ steifigkeit herabgesetzt werden, ohne daß die Längsstei­ figkeit in gleichem Maße verringert wird. Wesentlich ist dabei, daß die Schnittbreite der Längsschlitze 30 wesent­ lich kleiner als die Breite der zwischen ihnen liegenden Stege ist.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anbringung kleiner Zusatzmassen, welche das Trägheitsmoment um die Schwinger­ längsachse erhöhen, wodurch "Paddelschwinger" gemäß den Fig. 4 bis 6 entstehen. Die Zusatzmassen können zusätz­ lich am Schwinger 10 angebrachte Massen etwa in Form von Massen 40 gemäß Fig. 4 oder integral mit dem Schwinger 10 ausgebildete Massen 50 bzw. 60 verschiedener Form nach den Fig. 5 und 6 sein.

Bei einem 2×λ/2-Schwinger sind derartige Massen vorzugs­ weise im Bereich der entsprechenden Schwingungsbäuche vor­ gesehen.

Weiterhin kann gemäß Fig. 7 der Schwinger 10 derartig H- förmig ausgebildet sein, daß sich zwei miteinander verbun­ dene gegenphasig betreibbare 2×λ/2-Teilschwinger 71, 73 bzw. 72, 74 ergeben, die durch Einschneiden von Schlitzen 70 von den Stirnseiten her entstehen, wobei durch die Schnittiefe die Torsionsresonanz an die Längsresonanz angepaßt wird. Hierdurch tritt bei Drehungen um die Längs­ achse des Schwingers 10 eine besonders effiziente Anregung der Torsionsmode durch Corioliskräfte auf.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß ein erfin­ dungsgemäßes Schwingungsgyroskop eine Reihe von wesentli­ chen Vorteilen aufweist. Durch die Mischung zweier HF- Signale mit nachfolgender Signalverarbeitung ist bei­ spielsweise eine frequenzanaloge Drehgeschwindigkeitsmes­ sung möglich. Durch die mögliche räumliche Nähe der Detek­ toren, insbesondere in Form von OFW-Detektoren, ist eine hohe Gleichtaktunterdrückung physikalischer Störgrößen möglich. Falls die Detektoren auf dem Schwingersubstrat integriert und nicht aufgeklebt sind, ergibt sich eine niedrige Nullpunktdrift. Wegen der linearen Deh­ nungsabhängigkeit der Resonanzfrequenz von OFW-Bauelemen­ ten wird gleichfalls eine hohe Sensorlinearität erreicht. Das Auflösungsvermögen ist mit dem herkömmlicher pie­ zoelektrischer Gyrosensoren vergleichbar. Weiterhin sind geringe Abmessungen in der Größenordnung von einigen cm³ und ein niedriger Leistungsbedarf in der Größenordnung von einigen mW möglich. Bei einem beidseitig eingespannten planaren Schwinger ergeben sich ein robuster Aufbau und eine hohe Zuverlässigkeit, wobei aufgrund der möglichen Fertigungstechniken keine Positionier-Ungenauigkeiten der Sensoren auftreten und damit kein mechanischer Abgleich des Schwingersubstrats erforderlich ist. Schließlich sind wegen des fertigungsfreundlichen planaren Aufbaus und der Anwendbarkeit üblicher OFW-Herstellungstechniken die Her­ stellungskosten niedrig.

Claims (17)

1. Schwingungsgyroskop-Einrichtung
mit einem planaren Substrat, das für Biegeschwingungen desselben in der Einrichtung gehaltert ist,
mit Mitteln zur Anregung einer 2×λ/2-Biegeschwingung mit einem Schwingungsknoten zwischen den Enden des Substrats (10),
wobei das Substrat (10) zu wenigstens einem Anteil aus einem für Oberflächenwellen-Bauelemente (20, 21) geeigneten Material hergestellt ist,
mit zwei auf dem Substrat (10) angeordneten Sensoren als Oberflächenwellen-Detektoren (20, 21), die zur Gleichtakt-Unterdrückung von physikalischen Störgrößen in räumlicher Nähe im Bereich des Schwingungsknotens symmetrisch zur Drehachse (16) des Substrats (10) positioniert sind und im Winkel der komplementären Schub- bzw. Druckspannungskomponenten (22, 23) ausgerichtet sind und
mit nachgeschalteter Signalverarbeitung mit Mischung der zwei HF-Detektorsignale (20, 21) für frequenzanaloge Drehgeschwindigkeits-Messung.

2. Schwingungsgyroskop nach Anspruch 1, bei dem die Detektoren (20, 21) im Substrat ausgebildet sind.

3. Schwingungsgyroskop nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Detektoren (20, 21) so angeordnet sind, daß die Ausbreitungspfade der OFW sich gegenseitig durchdringen.

4. Schwingungsgyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Substart (10) als Balken ausgebildet ist.

5. Schwingungsgyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substart (10) in mindestens einen Schwingungsknoten gelagert ist.

6. Schwingungsgyroskop nach einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem das Substart (10) an seinen Enden eingespannt ist.

7. Schwingungsgyroskop nach einem der Ansprüche, 1 bis 6, bei dem das Substart (10) wenigstens teilweise aus einem für OFW-Bauelemente geeigneten piezoelektrischen Material hergestellt ist.

8. Schwingungsgyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als Mittel zur Schwingungsanregung eine Elektrodenstruktur auf dem piezoelektrischen Material des Substrats (10) vorgesehen ist.

9. Schwingungsgyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem als Mittel zur Schwingungsanregung eine metallisierte piezoelektrische Folie auf dem Substrat (10) vorgesehen ist.

10. Schwingungsgyroskop nach Anspruch 9, bei dem die piezoelektrische Folie eine Polyvinylidenfluorid-Folie-(PVDF)-Folie ist.

11. Schwingungsgyroskop nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die piezoelektrische Folie zur Anregung einer 2×λ/2-Schwingung in zwei Folien aufgeteilt ist.

12. Schwingungsgyroskop nach Anspruch 9 oder 10, bei dem zur Anregung einer (der) 2×λ/2-Schwingung eine durchgehende piezoelektrische Folie mit entsprechend strukturierter Metallisierung vorgesehen ist.

13. Schwingungsgyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit Formgabe- und/oder Bemessungsmaßnahmen am planaren Substrat zur Einanderanpassung der erzeugten Biegeresonanzfrequenz und der bei Drehung um die Achse (16) des Substrats (10) entstehenden Torsionsresonanzfrequenz.

14. Schwingungsgyroskop nach Anspruch 13, bei dem das Substrat (10) in seiner Längsrichtung geschlitzt ist (Fig. 3).

15. Schwingungsgyroskop nach Anspruch 13, bei dem die Schwingermasse im Bereich der entsprechenden Schwingungsbäuche des schwingenden Substrats (10) vergrößert ist.

16. Schwingungsgyroskop nach Anspruch 15, bei dem für diese Vergrößerung Zusatzmassen (40) angebracht sind.

17. Schwingungsgyroskop nach Anspruch 13, bei dem das Substrat (10) als Schwinger derart H-förmig ausgebildet ist, daß sich zwei miteinander verbundene gegenphasig betreibbare 2×λ/2-Teilschwinger (71, 73 bzw. 72, 74) ergeben.