DE69517882T2

DE69517882T2 - Schwingungskontrollanlage mit Regelung der Oszillationsfrequenz

Info

Publication number: DE69517882T2
Application number: DE69517882T
Authority: DE
Inventors: Kokichi Terajima
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2015-08-10
Also published as: DE69517882D1; EP0696721A3; KR960008464A; EP0696721B1; EP0696721A2; US5594168A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwingungsregelvorrichtung, die in einem piezoelektrischen Schwing-Gyroskop (vibrating gyroscope) eingesetzt wird.
Ein herkömmliches Schwing-Gyroskop ist in Fig. 11 dargestellt. In diesem Schwing- Gyroskop sind piezoelektrische Elemente 2 und 3 eines Schwingungserzeugers 4 jeweils über die entsprechenden Impedanzelemente 21 und 22 mit der Ausgangsseite der Antriebsvorrichtung 6 verbunden. Die Ausgangsseite dieser Antriebsvorrichtung 6 ist des weiteren über ein weiteres Impedanzelement 23 auch mit Kondensator C verbunden. Antriebssignale von der Antriebsvorrichtung 6 werden gleichzeitig an die piezoelektrischen Elemente 2 und 3 sowie an den Kondensator C angelegt.
Die Ausgänge an den entsprechenden Knoten der Impedanzelemente 21 und 22 sowie der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 werden kombiniert. Der kombinierte Ausgang und der Ausgang am Knoten von Impedanzelement 23 und von Kondensator C werden Differenzverstärker 7 zugeführt. Der Differenzausgang von Differenzverstärker 7 wird zur Antriebsvorrichtung 6 zurückgeführt, so daß der Schwingungserzeuger 4 selbstschwingend ist. Die Ausgänge an den entsprechenden Knoten der Impedanzelemente 21 und 22 sowie der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 werden einem weiteren Differenzverstärker 8 zugeführt, um so ein Winkelgeschwindigkeits-Erfassungssignal zu erzeugen, das auf dem Ausgang von Differenzverstärker 8 beruht.
Ein Beispiel für den Schwingungserzeuger 4, das in Fig. 12 dargestellt ist, weist eine quadratische Querschnittsform auf und hat das piezoelektrische Element 2 an einer Seitenfläche 1a eines Schwingungselementes 1 mit einem Resonanzpunkt, und das piezoelektrische Element 3 an einer anderen Seitenfläche 1b, die an Seitenfläche 1a angrenzt. Ein weiteres Beispiel eines Schwingungserzeugers, das in Fig. 13 dargestellt ist, weist piezoelektrische Elemente 2 und 3 auf, die in der Breitenrichtung auf ein und derselben Seite des Schwingungselementes 1 geteilt sind. Ein weiteres Beispiel für einen Schwingungserzeuger, das in Fig. 14 dargestellt ist, weist piezoelektrische Elemente 2 und 3 an einander gegenüberliegenden Seiten des Schwingungselementes 1 auf.
Ein weiteres Beispiel für einen Schwingungserzeuger, das in Fig. 15 dargestellt ist, weist die entsprechenden piezoelektrischen Elemente 2a und 2b an einander gegenüberliegenden Seitenflächen von Schwingungselement 1 auf und verbindet sie parallel, so daß sie im wesentlichen als ein piezoelektrisches Element 2 wirken, wobei gleichzeitig die entsprechenden piezoelektrischen Elemente 3a und 3b an den anderen einander gegenüberliegenden Seiten vorhanden sind, so daß sie parallel verbunden sind und im wesentlichen als ein piezoelektrisches Element 3 wirken.
Ein weiteres Beispiel für einen Schwingungserzeuger 4, das in Fig. 16 dargestellt ist, weist eine dreieckige Querschnittsform auf und hat die piezoelektrischen Elemente 2 und 3 an zwei Seitenflächen von Schwingungselement 1 mit einem Resonanzpunkt. Ein weiteres Beispiel für einen Schwingungserzeuger 4, das in Fig. 17 dargestellt ist, weist kreisförmige Querschnittsform auf und hat die piezoelektrischen Elemente 2 und 3 an der Umfangsfläche des Schwingungserzeugungselementes 1 mit einem Resonanzpunkt. So sind Elemente mit im wesentlichen zwei piezoelektrischen Elementen an den Seitenflächen von Schwingungselementen mit verschiedenen Querschnittsformen ausgebildet. Des weiteren ist ein Schwingungserzeuger 4, der aus wenigstens zwei piezoelektrischen Elementen 2 und 3 in Schwingungselement 1 besteht, wie dies in Fig. 12 bis Fig. 17 dargestellt ist, wie in Fig. 18 zu sehen, äquivalent dargestellt.
Bei dem herkömmlichen Schwingungs-Gyroskop, das in Fig. 11 dargestellt ist, werden jedoch die Antriebssignale von Antriebsvorrichtung 6 über Impedanzelemente 21 und 22 an die piezoelektrischen Elemente 2 und 3 angelegt. Dadurch fällt der an die piezoelektrischen Elemente 2 und 3 angelegte Signalpegel, wenn die Impedanzen der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 in der Nähe der mechanischen Reihenresonanzfrequenz fs in Schwingungserzeuger 4 fallen. Die Frequenz, bei der der Ausgang von Differenzverstärker 7 einen Maximalwert hat, und die mechanische Reihenresonanzfrequenz fs fallen nicht zusammen. Diese Erscheinung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 19 und Fig. 20 erläutert.
Fig. 19A und 19B veranschaulichen Beispiele für Messungen der Frequenz- und Phasen-Eigenschaften der Admittanz Y des Schwingungserzeugers 4, wie er in Fig. 12 dargestellt ist. Fig. 20A und 20B zeigen die Übertragungs- und Phasen-Kennlinien von Differenzverstärker 7. Bei dem Schwingungs-Gyroskop, das in Fig. 11 dargestellt ist, sind die piezoelektrischen Elemente 2 und 3 direkt mit den entsprechenden Impedanzen 21 und 22 verbunden, so daß, wie aus Fig. 19A ersichtlich ist, die Signalpegel, die an diese piezoelektrischen Elemente 2 und 3 angelegt werden, in der Nähe der mechanischen Reihenresonanzfrequenz fs, wo Y groß ist, und in der Nähe der mechanischen Parallelresonanzfrequenz fa zunehmen, wo Y klein ist. Daher wirkt auf den Ausgang des Differenzverstärkers 7 der Effekt der mechanischen Parallelresonanzfrequenz fa mit dem hohen Signalpegel. So verschiebt sich die Maximalwertfrequenz, wie in Fig. 20A dargestellt, zur mechanischen Parallelresonanzfrequenz fa.
Wie die Äquivalenzschaltung (equivalent circuit) in Fig. 21 zeigt, ist Schwingungserzeuger 4 mit einem piezoelektrischen Element als Parallelresonanzschaltung dargestellt, wobei die Dämpfungskapazität Cd parallel zu der Reihenresonanzschaltung geschaltet ist, die Induktor L1, Kondensator C1 und Widerstand R1 umfaßt. Widerstände und Kondensatoren werden beispielsweise als die Impedanzelemente Z1 und Z2 eingesetzt. Wenn Widerstände als die Impedanzelemente Z1 und Z2 eingesetzt werden, bewirken die angelegten Signale auch Phasenveränderungen, die durch den Wert der Dämpfkapazität Cd in bezug auf die Widerstandswerte der Impedanzelemente Z1 und Z2 bestimmt werden. Daher variieren die Pegel und die Phasen der angelegten Signale auf komplexe Weise zusammen mit den Impedanzänderungen in Schwingungserzeuger 4. Die Frequenz geht dort, wo der Ausgang von Differenzverstärker 7 einen Maximalwert erreicht, zur mechanischen Parallelresonanzfrequenz fa.
Des weiteren weisen die Äquivalenzkonstanten von Schwingungserzeuger 4, d. h. die Dämpfkapazität Cd, Induktor L1, Kondensator C1 und Widerstand R1 jeweils einzelne Temperaturabhängigkeiten auf, so daß sich die Frequenzen dort, wo der Ausgang von Differenzverstärker 7 einen Maximalwert erreicht, mit Veränderungen der Umgebungstemperatur ändern. Da es zu selbstinduzierter Schwingung bei Frequenzen kommt, bei denen der Ausgang von Differentialverstärker 7 einen Maximalwert erreicht, werden Schwankungen von Sollfrequenzen der selbstinduzierten Schwingung leicht durch Veränderungen der Umgebungstemperatur bewirkt.
Der mechanische Qualitätskoeffizient Qm von Schwingungserzeuger 4 ist so, daß es keine genaue Übereinstimmung zwischen den Werten auf der Seite des piezoelektrischen Elementes 2 und den Werten auf der Seite des piezoelektrischen Elementes 3 gibt, so daß Schwankungen der Sollfrequenzen der selbstinduzierten Schwingung Unterschiede in den Ausgängen der Impedanzelemente Z1 und Z2 sowie der Knoten der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 bewirken, wodurch es zu Niederspannungen und Schwankungen kommt.
Bei Schwingungserzeuger 4 sind die Impedanzelemente Z1 und Z2 mit piezoelektrischen Elementen 2 und 3 verbunden, wodurch eine hohe Gesamtimpedanz entsteht, so daß die Effekte elektrischen Rauschens an den entsprechenden Knoten der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 sowie der Impedanzelemente Z1 und Z2 auftreten.
Des weiteren werden, um Schwingen des Schwingungserzeugers bei seiner Resonanzfrequenz oder in der Nähe, d. h. selbstinduzierte Schwingung, zu bewirken, bei dem in Fig. 11 dargestellten Schwingungs-Gyroskop nach dem Stand der Technik die Ausgänge an den entsprechenden Knoten der Impedanzelemente Z1 und Z2 und der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 kombiniert. Darüber hinaus wird dieser kombinierte Ausgang und die Ausgänge an den Knoten von Impedanzelement Z3 und Kondensator C dem Differenzverstärker 7 zugeführt. Dadurch werden problematischerweise eine Vielzahl von Teilen und hohe Kosten erforderlich, und die Schaltungsstruktur wird kompliziert und die Miniaturisierung behindert.
Ein Beispiel für eine Schwingungsregelvorrichtung nach dem Stand der Technik ist in EP-A-663 584 offenbart, das gemäß Art. 54 (3) EPC angeführt wird.
Eine Lösung für die oben aufgeführten Probleme wird mit der Lehre von Anspruch 1 erreicht.
Eine erste Ausführung der Erfindung umfaßt einen Schwingungserzeuger, der ein Schwingungselement aufweist, das eine Seitenfläche mit einem Resonanzpunkt hat, wenigstens ein Paar piezoelektrischer Elemente an der Seitenfläche, wobei jedes piezoelektrische Element wenigstens zwei Elektroden aufweist, eine Ansteuervorrichtung mit einem Signalausgangsanschluß, der das Schwingungserzeuger-Ansteuersignal ausgibt, einen ersten und einen zweiten Rückkopplungsverstärker, die jeweils einen Rückkopplungs-Eingangsanschluß aufweisen, sowie einen dritten Rückkopplungsverstärker mit einem Rückkopplungs-Eingangsanschluß und einem Signal-Eingangsan schluß. Der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des ersten Rückkopplungsverstärkers ist mit einer Elektrode eines piezoelektrischen Elementes verbunden, und der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des zweiten Rückkopplungsverstärkers ist mit einer Elektrode des anderen piezoelektrischen Elementes verbunden. Der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des dritten Rückkopplungsverstärkers ist mit den anderen Elektroden des Paars piezoelektrischer Elemente verbunden. Der Signaleingangsanschluß des dritten Rückkopplungsverstärkers ist mit dem Signal-Ausgangsanschluß der Ansteuervorrichtung verbunden. Ein Signal auf der Basis des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers wird zu der Ansteuervorrichtung zurückgekoppelt. Das zu der Ansteuervorrichtung zurückgekoppelte Signal erreicht seinen Maximalwert bei einer Frequenz, die nahezu mit der mechanischen Resonanzfrequenz des Schwingungserzeugers übereinstimmt. Daher ist es möglich, den Schwingungserzeuger bei einer Frequenz, die nahezu mit seiner mechanischen Resonanzfrequenz übereinstimmt, in selbstinduzierte Schwingung zu versetzen. Das heißt, der Schwingungserzeuger schwingt bei seiner Resonanzfrequenz bzw. in deren Nähe.
Bei einer zweiten Ausführung der Erfindung ist der Rückkopplungs-Eingabeanschluß des ersten Rückkopplungsverstärkers mit einer Elektrode eines piezoelektrischen Elementes verbunden, und der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des zweiten Rückkopplungsverstärkers ist mit einer Elektrode des anderen piezoelektrischen Elementes verbunden. Der Rückkopplungs-Eingabeanschluß des dritten Rückkopplungsverstärkers ist mit den anderen Elektroden des Paars piezoelektrischer Elemente verbunden. Der Signal-Eingangsanschluß des dritten Rückkopplungsverstärkers ist mit dem Signal-Ausgangsanschluß der Ansteuervorrichtung verbunden. Ein Signal auf der Basis des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers wird zu der Ansteuervorrichtung zurückgekoppelt und wird des weiteren den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers zugeführt. Daher kann der Schwingungserzeuger nicht nur in stabilen Betrieb in der Nähe seiner selbstinduzierten Schwingungsfrequenz versetzt werden, sondern es ist auch möglich, die Ersatzwiderstandsdifferenz des Paars piezoelektrischer Elemente auszugleichen und die Differenz zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers wirkungsvoll zu verringern, d. h. Niederspannung zu verringern.
Bei einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung weist die Ansteuervorrichtung einen Signal-Ausgangsanschluß auf, der das Schwingungserzeuger-Ansteuersignal ausgibt, sowie einen Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß, der ein Ausgleichssignal für die Dämpfkapazität des Schwingungserzeugers ausgibt. Der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des ersten Rückkopplungsverstärkers ist mit einer Elektrode eines piezoelektrischen Elementes verbunden, und der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des zweiten Rückkopplungsverstärkers ist mit einer Elektrode des anderen piezoelektrischen Elementes verbunden. Der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des dritten Rückkopplungsverstärkers ist mit den anderen Elektroden des Paars piezoelektrischer Elemente und mit dem Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß der Ansteuervorrichtung verbunden. Der Signal-Eingangsanschluß des dritten Rückkopplungsverstärkers ist mit dem Signal- Ausgangsanschluß der Ansteuervorrichtung verbunden. Ein Signal auf der Basis des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers wird der Ansteuervorrichtung zugeführt.
Daher erreicht das zu der Ansteuervorrichtung rückgekoppelte Signal bei einer Frequenz, die genau mit der mechanischen Resonanzfrequenz des Schwingungserzeugers übereinstimmt, Maximalwert. Daher ist es möglich, den Schwingungserzeuger bei einer Frequenz in selbstinduzierte Schwingung zu versetzen, die genau mit seiner mechanischen Resonanzfrequenz übereinstimmt.
Bei einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des ersten Rückkopplungsverstärkers mit einer Elektrode eines piezoelektrischen Elementes verbunden, und der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des zweiten Rückkopplungsverstärkers ist mit einer Elektrode des anderen piezoelektrischen Elementes verbunden. Der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des dritten Rückkopplungsverstärkers ist mit den anderen Elektroden des Paars piezoelektrischer Elemente sowie mit dem Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß der Ansteuervorrichtung verbunden. Der Signal-Eingangsanschluß des dritten Rückkopplungsverstärkers ist mit dem Signal- Ausgangsanschluß der Ansteuervorrichtung verbunden. Ein Signal auf der Basis des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers wird zu der Ansteuervorrichtung zurückgekoppelt und wird des weiteren den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers zugeführt. Daher kann der Schwingungserzeuger nicht nur stabil bei seiner selbstinduzierten Schwingungsfrequenz be trieben werden, sondern es ist auch möglich, die Ersatzwiderstandsdifferenz des Paars piezoelektrischer Elemente auszugleichen und die Differenz zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers wirkungsvoll zu verringern und damit Niederspannung und Schwankungen zu verringern.
Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung kann das Signal auf der Grundlage des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers erzeugt werden, indem das Ausgangssignal des dritten Rückkopplungsverstärkers mit dem Ansteuerungssignal kombiniert wird.
Bei einer weiteren Ausführung der Erfindung kann das Signal auf der Grundlage des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers erzeugt werden, indem das Ausgangssignal des dritten Rückkopplungsverstärkers mit dem Ausgleichssignal kombiniert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführung variieren die Amplitude und die Phase des Ausgleichssignals entsprechend dem Wert der Dämpfkapazität des Schwingungserzeugers, um genaueren Ausgleich für die Dämpfkapazität des Schwingungserzeugers zu ermöglichen.
Bei einer bevorzugten Ausführung wird das Signal auf der Grundlage des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers über einen Regelwiderstand zugeführt. Wenigstens einer der Rückkopplungswiderstände des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers ist ein regelbarer Rückkopplungswiderstand, um die gegenseitige Ersatzwiderstandsdifferenz und die Dämpfkapazitätsdifferenz des Paars piezoelektrischer Elemente zu ergänzen und die Entstehung von Niederspannung wirkungsvoll zu verhindern.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung ist ein Differenzverstärker, der Differenzen zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers erfaßt, vorhanden, um die Winkelgeschwindigkeit zu erfassen.
Um ein einfaches, kostengünstiges und kleines Schwingungs-Gyroskop zu schaffen, wird eine weitere Ausführung geschaffen. Bei dieser Ausführung der Erfindung umfaßt das Schwingungs-Gyroskop einen Schwingungserzeuger, der aus einem Paar piezoelektrischer Elemente an der Seitenfläche eines Schwingungselementes mit einem Resonanzpunkt besteht. Eine der Elektroden jedes piezoelektrischen Elementes ist mit einer Ansteuerschaltung verbunden, um selbstinduzierte Erregung des Schwingungserzeugers zu bewirken. Die anderen Elektroden sind mit einer Erfassungsschaltung verbunden, um die Eingangs-Winkelgeschwindigkeit zu erfassen.
Ein piezoelektrisches Element ist, wie durch die Äquivalenzschaltung in Fig. 21 dargestellt, als Parallelresonanzschaltung ausgeführt, die die Dämpfkapazität Cd umfaßt, die parallel zu einer Reihenresonanzschaltung geschaltet ist, die einen Induktor L&sub1;, Kondensator C&sub1; und einen Widerstand R, umfaßt, wobei die Reihenresonanzfrequenz
ωL&sub1; = 1/ωC&sub1;
wird, so daß eine Parallelschaltung aus Widerstand R&sub1; und Dämpfkapazität Cd entsteht, die außerordentlich geringe Impedanz aufweist.
Daher wird es, wenn eine der Elektroden jedes piezoelektrischen Elementes mit einer Ansteuerschaltung verbunden ist, um selbstinduzierte Schwingung des Schwingungserzeugers zu bewirken, möglich, selbstinduzierte Schwingung an dem Schwingungserzeuger zu bewirken, ohne daß eine komplexe Kombination von Signalen erforderlich ist, wie dies bei herkömmlichen Systemen der Fall ist. Die Ansteuerschaltung kann des weiteren einen Schwingungskreis aufweisen. Der Verstärkungsgrad des Schwingungskreises nimmt zu, und die Impedanz des Paars piezoelektrischer Elemente ist außerordentlich klein. Da sich der Strom, der in dem Paar piezoelektrischer Elemente fließt, entsprechend der Eingangs-Winkelgeschwindigkeit ändert, wird es, wenn die anderen Elektroden der piezoelektrischen Elemente mit einer Erfassungsschaltung zum Erfassen der Eingangs-Winkelgeschwindigkeit verbunden sind, möglich, die Eingangs-Winkelgeschwindigkeit anhand derartiger Stromänderungen zu erfassen.
Fig. 1 zeigt Beispiel 1 der Erfindung,
Fig. 2 zeigt Beispiel 2 der Erfindung,
Fig. 3 zeigt Beispiel 3 der Erfindung,
Fig. 4 zeigt ein Beispiel der in Fig. 3 dargestellten Ansteuerungsvorrichtung,
Fig. 5A und B zeigen Beispiele für Messungen der Übertragungs- und Phaseneigenschaften für Beispiel 3,
Fig. 6 zeigt ein weiteres Beispiel für die Ansteuerungsvorrichtung, die in Fig. 3 dargestellt ist,
Fig. 7 zeigt Beispiel 4 der Erfindung,
Fig. 8 zeigt Beispiel 5 der Erfindung,
Fig. 9A und 9B zeigen Beispiele für Messungen der Übertragungs- und Phaseneigenschaften für Beispiel 5,
Fig. 10 zeigt Beispiel 6 der Erfindung,
Fig. 11 zeigt ein herkömmliches Schwingungs-Gyroskop,
Fig. 12 bis 17 zeigen Beispiele von Schwingungserzeugern, die bei der Erfindung eingesetzt werden können,
Fig. 18 zeigt eine äquivalente Darstellung des Schwingungserzeugers,
Fig. 19A und 19B zeigen Beispiele für Messungen der Frequenz- und Phaseneigenschaffen der Admittanz des Schwingungserzeugers,
Fig. 20A und 20B zeigen Beispiele für Messungen der Übertragungs- und Phaseneigenschaften bei einem herkömmlichen System,
Fig. 21 zeigt die Äquivalenzschaltung des Schwingungserzeugers, und
Fig. 22 und 23 zeigen Beispiele einer kostengünstigen, einfachen und miniaturisierten Vorrichtung der Erfindung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es werden für die gleichen Teile wie sie im Hintergrundabschnitt beschrieben sind, die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt Beispiel 1 der Erfindung, das bei einem Schwingungs-Gyroskop eingesetzt wird, das die Winkelgeschwindigkeit erfaßt. Schwingungserzeuger 4 mit wenigstens zwei piezoelektrischen Elementen 2 und 3 an den Seitenflächen von Schwingungselementen 1 mit unterschiedlichen Querschnittsformen und Resonanzpunkten, wie sie in Fig. 12 bis 17 dargestellt sind, werden in kontrollierte Schwingung versetzt.
In Fig. 1 ist eine Elektrode jedes piezoelektrischen Elementes 2 und 3 mit Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen 12L und 12R eines ersten bzw. zweiten Rückkopplungsverstärkers 10L und 10R verbunden. Die anderen Elektroden sind mit Rückkopplungs- Eingangsanschluß 33 eines dritten Rückkopplungsverstärkers 17 verbunden. Signal- Eingangsanschluß 35 des dritten Rückkopplungsverstärkers 17 ist mit Signal- Ausgangsanschluß 9 der Ansteuervorrichtung 6 verbunden. Das Ansteuersignal von Ansteuervorrichtung 6 wird an Anschluß 9 ausgegeben, um Schwingungserzeuger 4 anzutreiben. Ausgangsanschluß 38 des dritten Rückkopplungsverstärkers 17 ist mit dem Umkehr-Eingangsanschluß von Differenzverstärker 23 verbunden. Der nichtumkehrende Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 22 ist mit Signal-Ausgangsanschluß 9 der Ansteuervorrichtung 6 verbunden. Die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des dritten Rückkopplungsverstärkers 17 und dem Ansteuersignal von Ansteuervorrichtung 6 wird an dem Differenzverstärker 22 erfaßt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 22 wird zu Eingangsanschluß 14 von Ansteuervorrichtung 6 zurückgekoppelt, so daß Schwingungserzeuger 4 in selbstinduzierte Schwingung versetzt wird. Des weiteren werden die Ausgänge der Rückkopplungsverstärker 10L und 10R einem weiteren Diffe renzverstärker 20 zugeführt, so daß die Corioliskraft, die durch die Winkelgeschwindigkeit entsteht, die auf Schwingungserzeuger 4 wirkt, als Spannung erfaßt wird.
Des weiteren sind Rückkopplungswiderstände RfL und RfR jeweils zwischen die Ausgangsseiten des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers 10L und 10R und die entsprechenden Rückkopplungs-Eingangsanschlüsse 12L und 12R geschaltet. Einer der Rückkopplungswiderstände, bei diesem Beispiel Rückkopplungswiderstand RfR, ist ein regelbarer Rückkopplungswiderstand. Des weiteren ist Rückkopplungswiderstand RfM zwischen die Ausgangsseite des dritten Rückkopplungsverstärkers 17 und seinen Rückkopplungs-Eingangsanschluß 33 geschaltet.
Bei diesem Beispiel weist ein von Differenzverstärker 22 zu Ansteuervorrichtung 6 zurückgekoppeltes Signal eine Phasendifferenz von 180º zu dem von Ansteuervorrichtung 6 an Signal-Ausgangsanschluß 9 ausgegebenen Signal auf. Das von Differenzverstärker 22 ausgegebene Signal beruht auf dem Ausgangssignal des dritten Rückkopplungsverstärkers 17. Die Amplitude des von Differenzverstärker 22 ausgegebenen Signals erreicht einen Maximalwert bei einer Frequenz, die nahezu mit der mechanischen Reihenresonanzfrequenz von Schwingungserzeuger 4 übereinstimmt. Daher ist es möglich, den Schwingungserzeuger in selbstinduzierte Schwingung zu versetzen, die nahezu mit seiner mechanischen Reihenresonanzfrequenz übereinstimmt. Rückkopplungswiderstand RfR des zweiten Rückkopplungsverstärkers 10R kann ein regelbarer Rückkopplungswiderstand sein. Die Differenz zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers 10L und 10R, d. h. der Ausgang von Differenzverstärker 20 geht auf Null, wenn keine Wirkung durch Winkelgeschwindigkeit auftritt. Daher ist es möglich, Niederspannung wirkungsvoll zu verringern und Winkelgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Fig. 2 zeigt Beispiel 2 der Erfindung. Dieses Beispiel unterscheidet sich von Beispiel 1 dahingehend, daß der Ausgang von Differenzverstärker 22 ebenfalls über den Regelwiderstand VR den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen 12L und 12R des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers 10L und 1 OR zugeführt wird.
So wird, wenn der Ausgang von Differenzverstärker 22, d. h. ein Signal, dessen Phase sich von der des Ansteuersignals um 180º unterscheidet, über den Regelwiderstand VR den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen 12L und 12R des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers 10L und 10R zugeführt wird, die Differenz zwischen den Ersatzwiderständen der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 ausgeglichen. Ein Strom, der der Corioliskraft entspricht, d. h. nur der Blindstrom, kann in Rückkopplungswiderstand RfL und dem regelbaren Rückkopplungswiderstand RfR des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers 10L und 10R fließen. Des weiteren können die Blindströme, die in Rückkopplungswiderstand RfL und dem regelbaren Rückkopplungswiderstand RfR fließen, aneinander angeglichen werden, wenn keine Wirkung durch Winkelgeschwindigkeit vorliegt, indem der regelbare Rückkopplungswiderstand RfR eingestellt wird. Die Differenz zwischen den Dämpfkapazitäten der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 kann ebenfalls ausgeglichen werden. Daher ist es möglich, die Entstehung von Niederspannung im Ausgang von Differenzverstärker 20 auf einen sehr kleinen Betrag zu verringern und die Winkelgeschwindigkeit mit noch höherer Genauigkeit zu erfassen.
Fig. 3 zeigt Beispiel 3 der Erfindung. Dieses Beispiel unterscheidet sich von Beispiel 1 dahingehend, daß die Ansteuervorrichtung 6 einen Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß 13 aufweist. Ein Ausgleichssignal für die Dämpfkapazität von Schwingungserzeuger 4 wird an dem Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß 13 ausgegeben. Der Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß 13 ist über Kondensator Cc mit Rückkopplungs-Eingangsanschluß 33 des dritten Rückkopplungsverstärkers 17 verbunden. Das Ausgleichssignal wird mit den Signalen der anderen Elektroden der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 kombiniert und wird ebenfalls dem nichtumkehrenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 22 statt des Ansteuersignals zugeführt. Der Kondensator Cc weist vorzugsweise eine Temperaturabhängigkeit entsprechend der Temperaturabhängigkeit der Dämpfkapazitäten Cd von Schwingungserzeuger 4 auf.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Ansteuervorrichtung 6 mit dem Ausgleichssignal- Ausgangsanschluß 13, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Ansteuervorrichtung 6 weist den umkehrenden Verstärker 15 sowie den nichtumkehrenden Verstärker 16 auf. Das Signal von Eingangsanschluß 14 wird von dem umkehrenden Verstärker 15 verstärkt. Der Ausgang des umkehrenden Verstärkers 15 wird Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß 13 als Ausgleichssignal zugeführt und an dem nichtumkehrenden Verstärker 16 verstärkt und als das Ansteuersignal Signal-Ausgangsanschluß 9 zugeführt. Bei diesem Beispiel ist das Ansteuersignal, das Signal-Ausgangsanschluß 9 zugeführt wird, phasengleich mit dem Ausgleichssignal, das Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß 13 zugeführt wird. Das Amplitudenverhältnis dieser Signale kann durch die Kombination der Widerstände RN und RfD an der Eingangsanschlußseite des nichtumkehrenden Verstärkers 16 entsprechend eingestellt werden.
Fig. 5A und 5B zeigen die Ergebnisse von Messungen der Übertragungs- und Phaseneigenschaften des Ausgangs von Differenzverstärker 22 in Fig. 3 unter Verwendung des gleichen Schwingungserzeugers, wie er in Fig. 19 und Fig. 20 dargestellt ist.
Der Blindstromanteil in bezug auf die entsprechenden Dämpfkapazitäten Cd des Stroms, der in den piezoelektrischen Elementen 2 und 3 fließt, wird, wie in Fig. 3 dargestellt, durch das Ausgleichssignal gelöscht, das über Kondensator Cc kombiniert wird. Nur der Wirkstrom, der in den piezoelektrischen Elementen 2 und 3 fließt, fließt in dem Rückkopplungswiderstand RfM des dritten Rückkopplungsverstärkers 17. Dadurch erreicht, wie aus den Meßergebnissen zu ersehen ist, die in Fig. 5A und 5B dargestellt sind, die Spannungsverstärkung des Differenzverstärkers 22 bei der mechanischen Reihenresonanzfrequenz fs von Schwingungserzeuger 4 einen Maximalwert, so daß Schwingungserzeuger 4 in selbstinduzierte Schwingung versetzt werden kann, die bei einer Frequenz stabilisiert wird, die genau mit der mechanischen Reihenresonanzfrequenz fs übereinstimmt. Des weiteren kann die selbstinduzierte Schwingung bei der mechanischen Reihenresonanzfrequenz fs weiter unter Verwendung eines Kondensators Cc stabilisiert werden, dessen Temperaturabhängigkeit der Temperaturabhängigkeit der Dämpfkapazitäten Cd von Schwingungserzeuger 4 entspricht.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Beispiel der Ansteuervorrichtung 6, die in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Ansteuervorrichtung 6 weist einen umkehrenden Verstärker 15A, eine automatische Verstärkungsregelungsschaltung ("AGC"-Schaltung) 28 sowie nichtumkehrende Verstärker 25 und 16a auf. Das Eingangssignal von Eingangsanschluß 14 wird AGC- Schaltung 28 nach Umkehrverstärkung in dem umkehrenden Verstärker 15a zugeführt. AGC-Schaltung 28 umfaßt einen Komparator 23 und einen Frequenzsteuerer 24. In Komparator 23 wird das Signal von dem umkehrenden Verstärker 15a zu Gleichstrom und wird mit einem Bezugspegel verglichen. Ein Gleichstromsignal, das dem Vergleichsergebnis entspricht, wird erzeugt und Schwingungssteuerer 24 zugeführt. Schwingungssteuerer 24 kann einen FET umfassen. Ein Eingangssignal von dem umkehrenden Ver stärker 15a wird dem Source- und dem Drain-Weg des FET zugeführt. Der Ausgang von Komparator 23 wird dem Gate des FET zugeführt. Die Amplitude des Signals von dem umkehrenden Verstärker 15a wird auf der Grundlage des Ausgangs von Komparator 23 gesteuert. Des weiteren ist AGC-Schaltung 28 nicht auf dieses Beispiel beschränkt und kann beispielsweise unter Verwendung eines integrierten Vervielfachers hergestellt werden.
Das Signal, dessen Amplitude durch AGC-Schaltung 28 gesteuert wird, wird durch den nichtumkehrenden Verstärker 25 auf einen vorgegebenen Wert verstärkt. Der Ausgang des nichtumkehrenden Verstärkers 25 wird Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß 13 als Ausgleichssignal zugeführt und durch den nichtumkehrenden Verstärker 16a verstärkt. Der Ausgang des nichtumkehrenden Verstärkers 16a wird als Ansteuersignal Signal- Ausgangsanschluß 9 zugeführt. Das Ansteuersignal, das Signal-Ausgangsanschluß 9 zugeführt wird, ist, wie in Fig. 4 dargestellt, phasengleich zu dem Ausgleichssignal, das Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß 13 zugeführt wird, wobei ihr Amplitudenverhältnis durch eine Kombination der Widerstände RN und RfN auf der Eingangsanschlußseite des nichtumkehrenden Verstärkers 16a entsprechend eingestellt werden kann.
Eine Zunahme bzw. Abnahme der Ersatzwiderstände der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 in Fig. 3, die auf Veränderungen der Umgebungstemperatur zurückzuführen sind, bewirkt, daß der kombinierte Strom, der durch die piezoelektrischen Elemente 2 und 3 fließt, abnimmt bzw. zunimmt. Wenn der Ausgang des Differenzverstärkers 22, der zu Eingangsanschluß 14 von Ansteuervorrichtung 6 zurückgekoppelt wird, abnimmt oder zunimmt, fällt bzw. steigt der Ausgang von Komparator 23, und der Widerstand zwischen Source und Drain des FET von Amplitudensteuerer 24 steigt bzw. fällt. So nimmt der Betrag des Signals, das dem nichtumkehrenden Verstärker 25 zugeführt wird, zu bzw. ab, bis der Signaleingang an Komparator 23 einen festen Wert erreicht, der dem Bezugspegel entspricht. Dadurch wird der Ausgang von Differenzverstärker 22, d. h. der kombinierte Strom, der in den piezoelektrischen Elementen 2 und 3 fließt, auf einem festen Wert gehalten.
So wird der Strom, der durch den Rückkopplungswiderstand RfM des dritten Rückkopplungsverstärkers 17 fließt, d. h. der kombinierte Strom, der durch die piezoelektrischen Elemente 2 und 3 fließt, von dem der Strom, der der Dämpfkapazität entspricht, subtra hiert worden ist, auf einem festen Wert gehalten. Der Ersatzwiderstand der Richtung der selbstinduzierten Schwingung von Schwingungserzeuger 4 wird auf einem festen Wert gehalten, wie dies auf der Hand liegt. Dadurch werden, wie auf der Hand liegt, die Ersatzwiderstände, die der Schwingung in der Empfindlichkeitsrichtung von Schwingungserzeuger 4 entsprechen, der die gleichen piezoelektrischen Elemente 2 und 3 aufweist, auf einem festen Wert gehalten, so daß die Erfassungsempfindlichkeit für Eingangs- Winkelgeschwindigkeit unabhängig von Veränderungen der Umgebungstemperatur stets gleich bleibt, wodurch außerordentlich genaue Erfassung möglich ist.
Des weiteren ist es bei der Ansteuervorrichtung 6, die in Fig. 6 dargestellt ist, neben dem Einsatz des Verfahrens zum Stabilisieren der selbstinduzierten Schwingung unter Verwendung eines Kondensators Cc, dessen Temperaturabhängigkeit der Temperaturabhängigkeit der Dämpfkapazitäten Cd in Schwingungserzeuger entspricht, auch möglich, einen Kondensator Cc als festen Wert einzusetzen, d. h. dann, wenn der Widerstand RfD an der Eingangsseite des nichtumkehrenden Verstärkers 16a Thermistoren mit negativer Charakteristik enthält. Es ist auch möglich, die selbstinduzierte Schwingung weiter zu stabilisieren, indem der Ausgang des nichtumkehrenden Verstärkers 16a so verändert wird, daß er nicht der Temperaturabhängigkeit der Dämpfkapazitäten Cd von Schwingungserzeuger 4 entspricht.
Bei diesem Beispiel steigt bzw. fällt der Strom, der durch die Dämpfkapazität von Schwingungserzeuger 4 fließt, wenn die Dämpfkapazität Cd in Schwingungserzeuger 4 aufgrund von Veränderungen der Umgebungstemperatur zunimmt oder abnimmt, entsprechend. Daher nimmt die Spannungsverstärkung des nichtumkehrenden Verstärkers 16a zu bzw. ab, und der Strom, der durch die Dämpfkapazität Cd von Schwingungserzeuger 4 fließt, wird an den Strom angeglichen, der von Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß 13 über Kondensator Cd zugeführt wird, und wird gelöscht. Des weiteren weisen die Temperaturabhängigkeiten der Ströme, die durch die Ersatzwiderstandsseiten und die Dämpfkapazitätsseiten von Schwingungserzeuger 4 fließen, ähnliche Tendenzen auf, so daß der Betrag der Zunahme bzw. Abnahme des Stroms, der durch die Ersatzstromseiten fließt, ebenfalls verringert wird und Amplitudenveränderungen des Signals, das zu dem Eingangsanschluß 14 von Ansteuervorrichtung 6 zurückgekoppelt wird, auf einen geringen Wert verringert wird.
Dadurch werden Veränderungen des Ausgangs von Vergleicher 23, die durch Temperaturveränderungen bewirkt werden, und der Betrag der Veränderung des Widerstandes zwischen der Source und dem Drain des FET von Amplitudensteuerer 24 gering. Daher werden auch die Änderungen des Stroms über ein breites Temperaturspektrum gering. Selbst bei starken Veränderungen der Ersatzwiderstände von Schwingungserzeuger 4 ist es möglich, den Funktionsbereich der AGC-Schaltung 28 erheblich zu erweitern, und die selbstinduzierte Schwingung kann weiter stabilisiert werden.
Fig. 7 zeigt Beispiel 4 der Erfindung. Dieses Beispiel gleicht Fig. 3 bis auf die Tatsache, daß der Ausgang des dritten Rückkopplungsverstärkers 17 und das Ansteuersignal von dem Signal-Ausgangsanschluß 9 Differenzverstärker 22 zugeführt werden. Ihre unterschiedlichen Ausgänge werden zu Eingangsanschluß 14 von Ansteuervorrichtung 6 zurückgekoppelt. Ansonsten entspricht die Ansteuervorrichtung 6 der Darstellung in Fig. 4, und sie weist die in Fig. 6 dargestellte AGC-Schaltung 28 auf.
Entsprechend Fig. 7 wird, wie in Beispiel 3, der Blindstromanteil in bezug auf die entsprechenden Dämpfkapazitäten Cd innerhalb der Ströme, die in den piezoelektrischen Elementen 2 und 3 fließen, durch das Ausgleichssignal gelöscht, das über Kondensator Cc kombiniert wird. Daher fließen nur die wirksamen Teile der Ströme, die in den piezoelektrischen Elementen 2 und 3 fließen, in Rückkopplungswiderstand RfM des dritten Rückkopplungsverstärkers 17. Dadurch erreicht die Spannungsverstärkung von Differenzverstärker 22 ihr Maximum bei der mechanischen Reihenresonanzfrequenz fs von Schwingungserzeuger 4, so daß es möglich wird, selbstinduzierte Schwingung zu erzeugen, indem Schwingungserzeuger 4 bei einer Frequenz stabilisiert wird, die genau mit seiner mechanischen Reihenresonanzfrequenz fs übereinstimmt.
Fig. 8 zeigt Beispiel 5 der Erfindung. Dieses Beispiel ähnelt Fig. 4 bis auf die Tatsache, daß der Ausgang von Differenzverstärker 22 über den Regelwiderstand VR den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen 12L und 12R der Rückkopplungsverstärker 10L und 10R zugeführt wird. Der Ausgang von Differenzverstärker 22 weist eine Phasendifferenz von 180º zum Ansteuersignal von Ansteuervorrichtung 6 auf Geringfügige Unterschiede bezüglich der Ersatzwiderstände der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 werden durch den Regelwiderstand VR ausgeglichen. Der Ausgang von Differenzverstärker 22 fließt dann zu den Rückkopplungs-Einganganschlüssen 12L und 12R als Strom, der dem Strom entspricht, der in den Ersatzwiderständen der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 fließt. Ansonsten wird bei dieser Ansteuervorrichtung 6, wie in Fig. 4 dargestellt, die in Fig. 6 dargestellte AGC-Schaltung 28 verwendet.
Bei diesem Beispiel ist es möglich, einen Schwingungserzeuger 4 in selbstinduzierte Schwingung zu versetzen, indem er bei einer Frequenz stabilisiert wird, die genau mit seiner mechanischen Reihenresonanzfrequenz fs übereinstimmt. Die Äquivalenzschaltungsdifferenzen zwischen den piezoelektrischen Elementen 2 und 3 werden ebenfalls an dem ersten und dem zweiten Rückkopplungsverstärker 10L und 10R ausgeglichen. Daher fließt nur der Strom, der der Corioliskraft entspricht, d. h. der Blindstrom, in Rückkopplungswiderstand RfL und dem regelbaren Rückkopplungswiderstand RfR des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers 10L und 10R. Des weiteren können durch die Blindstromkomponente, die in Rückkopplungswiderstand RfL und dem regelbaren Rückkopplungswiderstand RfR fließt, die Dämpfkapazitätsdifferenzen zwischen den piezoelektrischen Elementen 2 und 3 durch Regulieren des regelbaren Rückkopplungswiderstandes RfR ausgeglichen werden, so daß sie einander gleich sind, wenn keine Winkelgeschwindigkeit vorliegt. Dementsprechend ist es möglich, das Auftreten von Niederspannung im Ausgang von Differenzverstärker 20 auf einen sehr niedrigen Pegel zu begrenzen und die Winkelgeschwindigkeit mit höherer Genauigkeit zu erfassen.
Fig. 9A und 9B zeigen Ergebnisse von Messungen der Übertragungseigenschaften des Blindstroms und des Wirkstroms im Ausgang des Rückkopplungsverstärkers 10L in Fig. 8 unter Verwendung des gleichen Schwingungserzeugers, wie er in Fig. 19 und Fig. 20 verwendet wird.
In Fig. 8 verändert sich der Strom, der von Differenzverstärker 22 zu den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen 12L und 12R der Rückkopplungsverstärker 10L und 10R fließt, entsprechend den Strömen, die in den Ersatzwiderständen der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 fließen, sowie entsprechend ihrer Temperaturabhängigkeiten. Dementsprechend fließt, wie aus Fig. 9A und B ersichtlich ist, selbst bei Veränderungen der Umgebungstemperatur nur Strom, der der Corioliskraft entspricht, d. h. der Blindstrom, konstant in den Rückkopplungswiderständen RfL und RfR der Rückkopplungsverstärker 10L und 10R, wobei kein Fließen des Wirkstroms stattfindet. Daher ist es möglich, die Erzeugung von Niederspannung und ihrer Schwankungen wirkungsvoll zu verringern, wobei gleichzeitig die Phase entsprechend einer Eingangswinkelgeschwindigkeit effektiver verstärkt werden kann. Damit ist es möglich, die Winkelgeschwindigkeit mit höherer Genauigkeit als in Fig. 3 zu erfassen.
Fig. 10 zeigt Beispiel 6 der Erfindung. Dieses Beispiel gleicht Fig. 8 bis auf die Tatsachen, daß der Ausgang des dritten Rückkopplungsverstärkers 17 und das Ansteuersignal von Signalausgangsanschluß 9 Differenzverstärker 22 zugeführt werden. Der Ausgang von Differenzverstärker 22 wird Eingangsanschluß 14 von Ansteuervorrichtung 6 zugeführt. Ansonsten wird bei der Ansteuervorrichtung 6, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, die AGC-Schaltung 28 eingesetzt, die in Fig. 6 dargestellt ist. Dementsprechend ist es auch bei diesem Beispiel möglich, Schwingungserzeuger 4 in selbstinduzierte Schwingung zu versetzen, indem er bei einer Frequenz stabilisiert wird, die genau mit seiner mechanischen Reihenresonanzfrequenz fs übereinstimmt, d. h. auf die gleiche Weise wie in Fig. 8. Es ist ebenfalls möglich, die Entstehung von Niederspannung im Ausgang von Differenzverstärker 20 auf einen sehr niedrigen Pegel zu drücken und die Winkelgeschwindigkeit mit höherer Genauigkeit zu erfassen.
Des weiteren kann die Ansteuervorrichtung 6, die in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, in Fig. 4 bzw. Fig. 6 eingesetzt werden, wobei der Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß 13 weggelassen wird. Obwohl Operationsverstärker als Rückkopplungsverstärker 10L und 10R bei jedem der oben beschriebenen Beispiele eingesetzt wurden, können auch andere Typen von Rückkopplungsverstärkern eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Schwingungs-Gyroskope beschränkt, sondern kann auch als Schwingungsregelvorrichtung in verschiedenen Schwingungserzeugern eingesetzt werden.
Entsprechend der ersten Ausführung der Erfindung kann, wie oben beschrieben, das zu der Ansteuervorrichtung zurückgekoppelte Signal bei einer Frequenz einen Maximalwert erreichen, die nahezu mit der mechanischen Reihenresonanzfrequenz des Schwingungserzeugers übereinstimmt, so daß der Schwingungserzeuger bei einer Frequenz in selbstinduzierte Schwingung versetzt werden kann, die nahezu mit der mechanischen Reihenresonanzfrequenz übereinstimmt.
Bei der zweiten Ausführung der Erfindung wird das zu der Ansteuervorrichtung rückgekoppelte Signal auch zu den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers geleitet. Daher ist es nicht nur möglich, den Schwingungserzeuger nahezu bei seiner selbstinduzierten Schwingungsfrequenz in selbstinduzierte Schwingung zu versetzen, sondern die Ersatzwiderstandsdifferenz des Paars piezoelektrischer Elemente wird ausgeglichen, und die Differenz zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers, d. h. Niederspannung, kann wirkungsvoll verringert werden. Beim Einsatz mit einem Schwingungs-Gyroskop ist es möglich, die Phasenkomponente, die der Eingangs-Winkelgeschwindigkeit entspricht, wirkungsvoll zu verstärken und die Winkelgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Bei der dritten Ausführung der Erfindung kann das zu der Ansteuervorrichtung zurückgekoppelte Signal bei einer Frequenz einen Maximalwert erreichen, die genau mit der mechanischen Reihenresonanzfrequenz des Schwingungserzeugers übereinstimmt, indem die Dämpfkapazitäten des Paars der piezoelektrischen Elemente ausgeglichen werden. Es ist daher möglich, den Schwingungserzeuger bei einer Frequenz in selbstinduzierte Schwingung zu versetzen, die genau mit seiner mechanischen Reihenresonanzfrequenz übereinstimmt.
Bei der Vorrichtung gemäß der vierten Ausführung der Erfindung wird das zu der Ansteuervorrichtung zurückgekoppelte Signal auch den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers zugeführt. So kann der Schwingungserzeuger nicht nur bei einer Frequenz in selbstinduzierte Schwingung versetzt werden, die genau mit seiner mechanischen Reihenresonanzfrequenz übereinstimmt, sondern es ist auch möglich, die Ersatzwiderstandsdifferenz des Paars piezoelektrischer Elemente auszugleichen und die Differenz zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers, d. h. Niederspannung, wirkungsvoll zu verringern. Daher kann mit der Vorrichtung beim Einsatz in einem Schwingungs- Gyroskop die Phasenkomponente, die der Eingangs-Winkelgeschwindigkeit entspricht, wirkungsvoll verstärkt werden und die Winkelgeschwindigkeit mit höherer Genauigkeit erfaßt werden.
Fig. 22 zeigt ein Beispiel der Erfindung, das kostengünstig, einfach und miniaturisiert ist. Der Schwingungserzeuger 4 besteht aus wenigstens zwei piezoelektrischen Elementen 2 und 3 an den Seitenflächen des Schwingungselementes 1 mit verschiedenen Quer schnittsformen und einem Resonanzpunkt. Elektroden 2a und 3a der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 sind gemeinsam mit einem Umkehr-Eingangsanschluß 43 von Operationsverstärker 40 verbunden, der die Ansteuerschaltung für die Herstellung der selbstinduzierten Schwingung bildet. Funktionsverstärker 40 weist eine Verstärkungsfunktion auf, die von Rückkopplungswiderstand R41 abhängt. Sein Ausgang wird durch die Widerstände R42 und R43 so geteilt, daß ein Teil dem nichtumkehrenden Eingangsanschluß 44 zugeführt wird. Des weiteren sind die anderen Elektroden 2b und 3b der piezoelektrischen Elemente 2 und 3 mit Eingangsanschlüssen 41 und 42 von Differenzschaltung 15 verbunden, die eine Erfassungsschaltung bildet.
Schwingungselement 1 von Schwingungserzeuger 4 kann aus Materialien, wie beispielsweise Metallen, wie Elinvar, oder Quarz, Keramik oder Glas bestehen. Wenn Schwingungselement 1 aus einem leitenden Material, wie beispielsweise Metall, besteht, nutzt das Paar piezoelektrischer Elemente 2 und 3 die Elektroden auf einer Seite von Schwingungselement 1 für die selbstinduzierte Schwingung, und nutzt die Elektroden auf der anderen Seite zur Erfassung. Wenn Schwingungselement 1 aus einem isolierenden Material wie beispielsweise Quarz, Keramik oder Glas besteht, kann das Paar piezoelektrischer Elemente 2 und 3 beliebige zwei seiner Elektroden für selbstinduzierte Schwingung und die beiden anderen für die Erfassung nutzen.
Bei dem in Fig. 22 dargestellten Schwingungs-Gyroskop nimmt, wenn die Impedanz von Schwingungserzeuger 4 in der Nähe der Reihenresoanzfrequenz abnimmt, der Verstärkungsgrad von Operationsverstärker 40 zu. Dadurch wird das an den nichtumkehrenden Eingangsanschluß 44 angelegte Signal stärker, so daß Schwingungserzeuger 4 in einem Phasenwinkel von 0º in selbstinduzierte Schwingung versetzt wird.
Wenn hingegen Eingangs-Winkelgeschwindigkeit auf Schwingungserzeuger 4 wirkt, ändern sich die Ströme, die durch die piezoelektrischen Elemente 2 und 3 fließen, dementsprechend, und die Differenz zwischen diesen Strömen wird als Spannung an Differenzschaltung 45 ausgegeben. So wird es möglich, den Betrag der Eingangs-Winkelgeschwindigkeit, die auf Schwingungserzeuger 4 wirkt, auf der Grundlage des Ausgangs von Differenzschaltung 45 zu erfassen.
Fig. 23 zeigt ein weiteres Beispiel für eine kostengünstige, einfache und miniaturisierte Vorrichtung. Dieses Beispiel ähnelt Fig. 22 bis auf die Tatsache, daß Kondensator Cca, der Veränderungen der Schwingungsfrequenz von der Dämpfkapazität von Schwingungserzeuger 4 ausgleicht, parallel zu dem Rückkopplungswiderstand R41 von Operationsverstärker 40 geschaltet ist.
Dementsprechend kann die Blindstromkomponente, die in Rückkopplungswiderstand R41 fließt, durch Kondensator Cca aufgrund der Dämpfkapazität von Schwingungserzeuger 4 gelöscht werden, so daß Schwingungserzeuger 4 genau bei der Reihenresonanzfrequenz in selbstinduzierte Schwingung versetzt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jeweils eine der Elektroden eines Paar von Piezoelektroden des Schwingungserzeugers mit einer Ansteuerschaltung verbunden, um den Schwingungserzeuger in selbstinduzierte Schwingung zu versetzen. Die anderen Elektroden sind mit einer Erfassungsschaltung zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit verbunden, so daß es möglich wird, die Anzahl der Schaltungsteile zu verringern und miniaturisierte Schwingungs-Gyroskope einfach und zu geringen Kosten herzustellen.
Schließlich sind die oben beschriebenen Ausführungen der Erfindung lediglich als veranschaulichend zu betrachten.

Claims

1. Schwingungsregelvorrichtung, die umfaßt:

einen Schwingungserzeuger (4) mit einem Schwingungselement (1) mit wenigstens einer Seitenfläche mit einem Resonanzpunkt,

ein erstes und ein zweites piezoelektrisches Element (2, 3) an der Seitenfläche, wobei jedes piezoelektrische Element (2, 3) eine erste und eine zweite Elektrode aufweist,

eine Ansteuervorrichtung (6) mit einem Signal-Ausgangsanschluß (9) zur Ausgabe eines Schwingungserzeuger-Ansteuersignals und einem Signal-Eingangsanschluß (14),

einen ersten und einen zweiten Rückkopplungsverstärker (10L, 10R), wobei jeder Rückkopplungsverstärker (10L, 10R) einen Rückkopplungs-Eingangsanschluß (12L, 12R) umfaßt, und

einen dritten Rückkopplungsverstärker (17) mit einem Rückkopplungs-Eingangsanschluß (33), einem Signal-Eingangsanschluß (35) und einem Signal-Ausgangsanschluß (38),

wobei

der Rückkopplungs-Eingangsanschluß (12L) des ersten Rückkopplungsverstärkers (10L) mit der ersten Elektrode des ersten piezoelektrischen Elementes (2) verbunden ist und der Rückkopplungs-Eingangsanschluß des zweiten Rückkopplungs-Verstär kers (10R) mit der ersten Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elementes (3) verbunden ist,

der Rückkopplungs-Eingangsanschluß (33) des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) mit den zweiten Elektroden des ersten und des zweiten piezoelektrischen Elementes (2, 3) verbunden ist, der Signal-Eingangsanschluß (35) mit dem Signal-Ausgangsanschluß (9) der Ansteuervorrichtung (6) verbunden ist, und der Signal-Ausgangsanschluß (38) des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) mit dem Signal-Eingangsanschluß (14) der Ansteuervorrichtung (6) verbunden ist, so daß ein Signal auf der Grundlage eines Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) zu der Ansteuervorrichtung (6) zurückgeführt wird.

2. Schwingungsregelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Signal auf der Grundlage des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) des weiteren den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen (12L, 12R) des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers (10L, 10R) zugeführt wird.

3. Schwingungsregelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

wobei die Ansteuervorrichtung (6) des weiteren einen Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß (13) aufweist, der ein Ausgleichssignal für die Dämpfkapazität des Schwingungserzeugers (4) ausgibt, und wobei

der Rückkopplungs-Eingangsanschluß (33) des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) des weiteren mit dem Ausgleichssignal-Ausgangsanschluß (13) der Ansteuervorrichtung (6) verbunden ist.

4. Schwingungsregelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Signal auf der Grundlage des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) erzeugt wird, indem das Ausgangssignal des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) mit dem Ansteuersignal kombiniert wird.

5. Schwingungsregelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Signal auf der Grundlage des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) den Rückkopplungs-Eingangsanschlüssen (12L, 12R) des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers (10L, 10R) über einen Regelwiderstand (VR) zugeführt wird, und wenigstens ein Rückkopplungswiderstand (Rfr) des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers (10L, 10R) einen regelbaren Rückkopplungswiderstand aufweist.

6. Schwingungsregelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die des weiteren einen Differenzverstärker (20) umfaßt, der Differenzen zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Rückkopplungsverstärkers (10L, 10R) erfaßt.

7. Schwingungsregelvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Signal auf der Grundlage des Ausgangssignals des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) erzeugt wird, indem das Ausgangssignal des dritten Rückkopplungsverstärkers (17) mit dem Ausgleichssignal kombiniert wird.

8. Schwingungsregelvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Amplitude und die Phase des Ausgleichssignals entsprechend dem Dämpfkapazitätwert des Schwingungserzeugers (4) variieren.