DE69111950T2 - Signaldetektorschaltung für Schwingkreisel. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßschaltung. Insbesondere bezieht sich dieselbe auf eine Meßschaltung zum Messen von beispielsweise der Ausgabe eines prismenförmigen Vibrationsgyroskops.
• Fig. 11 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel einer herkömmlichen Meßschaltung zeigt, welche den Hintergrund der vorliegenden Erfindung bildet. Die Meßschaltung 1 wird z.B. zum Messen einer Ausgabe eines prismenförmigen Vibrationsgyroskops verwendet.
• Zwischen zwei piezoelektrischen Elementen 3 und dem anderen piezoelektrischen Element 4 des Vibrationsgyroskops 2 ist eine Anregungssignal-Erzeugungsschaltung 5 angeschlossen. In diesem Fall ist die Anregungssignal-Erzeugungsschaltung 5 jeweils über Widerstände 6 mit den zwei piezoelektrischen Elementen 3 des Vibrationsgyroskops 2 verbunden. Dazwischen werden die Ausgaben dieser piezoelektrischen Elemente 3 in eine Differenzverstärkungsschaltung 7 eingegeben.
• Das Vibrationsgyroskop 2 ist in einer Richtung, die orthogonal zu der Hauptoberfläche des anderen piezoelektrischen Elements 4 ist, durch die Anregungssignal-Erzeugungsschaltung 5 einer Biegeschwingung unterworfen. Nun wird durch das Einstellen der Signale, die aufgrund der elektrostatischen Kapazitätsdifferenz zwischen den zwei piezoelektrischen Elementen 3 erzeugt werden, damit dieselben gleich werden, die Ausgabe der Differenzverstärkungsschaltung 7 Null.
• Falls das Vibrationsgyroskop um seine Achse gedreht wird, wird die Coriolis-Kraft in einer Richtung, die orthogonal zu der Schwingungsrichtung des vibrationsgyroskops 2 ist, ausgeübt. Demgemäß wird die Schwingungsrichtung des Vibrationsgyroskops 2 aus der Schwingungsrichtung des nicht-drehenden Zustands verschoben. Somit wird eine Ausgabedifferenz zwischen den zwei piezoelektrischen Elementen 3 erzeugt, wobei die Ausgabe von der Differenzverstärkungsschaltung 7 erhalten wird. Die Ausgabe entspricht der Drehwinkelgeschwindigkeit. Demgemäß kann die Drehwinkelgeschwindigkeit, mit der das Vibrationsgyroskop 2 beaufschlagt wird, durch Messen der Ausgabe der Differenzverstärkungsschaltung 7 gemessen werden.
• Die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements ändert sich jedoch durch die atmosphärische Temperatur und durch Zeitänderungen, wodurch die Ausgabe der Differenzverstärkungsschaltung selbst ohne eine Drehung nicht Null wird und einen Meßfehler zur Folge hat. In diesem Fall, wie in Fig. 12 gezeigt ist, wird neben dem Signal, das aufgrund der Coriolis-Kraft ausgegeben wird, das Signal, das aufgrund der Veränderungen der elektrostatischen Kapazität des piezoelektrischen Elements ausgegeben wird, in die Differenzverstärkungsschaltung 7 eingegeben. Daher wird ein zusammengesetztes Signal dieser Signale von der Differenzverstärkungsschaltung 7 ausgegeben und die Drehwinkelgeschwindigkeit kann nicht genau gemessen werden.
• Die DE-A-39 26 504 offenbart in Fig. 30 eine Meßschaltung. Bei dieser Meßschaltung sind die piezoelektrischen Elemente für die Messung von den piezoelektrischen Elementen für die Anregung verschieden. Es wird ein Signal, das nicht auf die Coriolis-Kraft bezogen ist, erzeugt, da die piezoelektrischen Elemente zu verschiedenen Zwecken verwendet sind. In den piezoelektrischen Meßelementen wird ein Signal aufgrund der Schwingungen des Vibrators erzeugt, selbst wenn der Vibrator nicht gedreht wird. Dieses Signal ist aufgrund zahlreicher Faktoren, wie z.B. des Umwandlungswirkungsgrads, der Phase, usw., nicht wechselseitig auf das Anregungssignal oder das aufgrund der Coriolis-Kraft bewirkte Signal bezogen. Das gemessene Signal am Ausgang des Verstärkers wird durch zahlreiche Faktoren, die Meßfehler zur Folge haben, negativ beeinflußt.
• Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik basiert die vorliegende Erfindung auf der Aufgabe, eine Meßschaltung zum Messen der Ausgabe eines Vibrationsgyroskops zu schaffen, die eine verbesserte Meßgenauigkeit ergibt.
• Diese Aufgabe wird durch eine Meßschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Überdies kann der Synchronisierschaltung in der Meßschaltung eine Phaseneinstellschaltung zum Einstellen einer Ausgangssignalphase von der Differenzschaltung hinzugefügt sein.
• Durch die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements wird ein Treibersignal des piezoelektrischen Elements im Vergleich zu dem Meßsignal aufgrund der Ausgangs impedanz der Anregungssignal-Erzeugungsschaltung und die Eingangsimpedanz der Differenzschaltung zu einem nacheilenden Signal. Eine Ausgabe aufgrund der Coriolis-Kraft wird im Vergleich zu dem Anregungssignal zu einem vorauseilenden Signal. Demgemäß besitzen das Antriebssignal des piezoelektrischen Elements und die Ausgabe aufgrund der Coriolis- Kraft eine Phasendifferenz von 900. In der Synchronisierschaltung wird die Messung synchron zu der Ausgabe aufgrund der Coriolis-Kraft durchgeführt. Die Phase des Signals, das von der Synchronisierschaltung gemessen wird, wird mittels der Phaseneinstellschaltung eingestellt. Signale, die der Synchronisation unterworfen sind, werden durch die Glättungsschaltung geglättet.
• Da die Nessung gemäß der vorliegenden Erfindung synchron zu der Ausgabe aufgrund der Coriolis-Kraft durchgeführt wird, ist das Antriebssignal, das die Phasendifferenz von 900 bezüglich derselben aufweist, um den positiven und negativen Anteil verschoben. Daher sind Fehler, die aufgrund der Veränderungen der elektrostatischen Kapazität des piezoelektrischen Elements bewirkt werden, beseitigt, wobei eine genaue Ausgabe, die auf die Drehwinkelgeschwindigkeit anspricht, erhalten werden kann. Demgemäß kann die Drehwinkelgeschwindigkeit, mit der das Vibrationsgyroskop beaufschlagt ist, genau gemessen werden.
• Unterdessen wird durch das Hinzufügen der Phaseneinstellschaltung zu der Meßschaltung die Phase des Signals, das gemessen wird, derart eingestellt, daß das Signal aufgrund der Abweichung der elektrostatischen Kapazität korrekt versetzt ist. Folglich kann, selbst wenn es genau keine Phasendifferenz von 900 zwischen dem Antriebssignal des piezoelektrischen Elements und der Ausgabe aufgrund der Coriolis-Kraft gibt, nur die Ausgabe, die auf die Drehwinkelgeschwindigkeit anspricht, gemessen werden.
• Die oben genannten und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung des Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Fig. 2A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Vibrationsgyroskop zeigt, das mittels einer Meßschaltung, die in Fig. 1 gezeigt ist, gemessen wird, und Fig. 2B ist eine Schnittansicht entlang der Linie IIB - IIB in Fig. 2A.
• Fig. 3 ist ein äquivalentes Schaltbild eines piezoelektrischen Elements, wenn sich das Vibrationsgyroskop nicht dreht.
• Fig. 4 ist ein Signalformdiagramm, das eine Signalform einer Schaltung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, zeigt.
• Fig. 5 ist ein äquivalentes Schaltbild eines piezoelektrischen Elements, wenn ein Vibrationsgyroskop mit einer Drehwinkelgeschwindigkeit beaufschlagt ist.
• Fig. 6 ist ein äquivalentes Schaltbild, wenn eine Konstantstromquelle einer Schaltung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, in eine Konstantspannungsquelle transformiert ist.
• Fig. 7 ist ein Signalformdiagramm, das eine Signalform von Schaltungen, wie sie in Fig. 5 und in Fig. 6 gezeigt sind, zeigt.
• Fig. 8 ist ein Signalformdiagramm, das die Beziehung zwischen einem Signal aufgrund von Abweichungen einer elektrostatischen Kapazität eines piezoelektrischen Elements und einem Signal aufgrund der Coriolis- Kraft zeigt, und einen Zustand, bei dem eine Synchronisation durchgeführt ist.
• Fig. 9 ist ein Schaltbild, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Fig. 10A ist ein Signalformdiagramm, das einen Zustand zeigt, bei dein das Signal, das gemessen wird, nicht genau die Phasendifferenz von 90º aufweist, und Fig. 10B ist ein Signalformdiagramin, das einen Zustand zeigt, bei dem eine Phase des Signals, das durch eine Phaseneinstellschaltung gemessen wird, eingestellt ist.
• Fig. 11 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel einer herkömmlichen Meßschaltung zeigt, die den Hintergrund der vorliegenden Erfindung bildet.
• Fig. 12 ist ein Signalformdiagramm, das ein Signal zeigt, das in eine Differenzverstärkungsschaltung einer herkömmlichen Meßschaltung, die in Fig. 11 gezeigt ist, eingegeben wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
• Fig. 1 ist ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Meßschaltung 10 ist zum Messen von beispielsweise der Ausgabe eines Vibrationsgyroskops 12 verwendet. Wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, weist das Vibrationsgyroskop 12 z.B. einen prismenförmigen Vibrator 14 auf. Der Vibrator 14 ist im allgemeinen aus Materialien gebildet, die eine mechanische Schwingung erzeugen, wie z.B. Elinvar, einer Eisen-Nickel-Legierung, Quartz, Glas, Kristall und Keramik.
• Auf dem Vibrator 14 sind piezoelektrische Elemente 16a, 16b und 16c jeweils in der Mitte der drei Seitenoberflächen desselben ausgebildet. Das piezoelektrische Element 16a weist eine piezoelektrische Schicht 18a auf, die beispielsweise aus Keramik besteht. Auf zwei Oberflächen der piezoelektrischen Schicht 18a sind jeweils Elektroden 20a und 22a ausgebildet. Die Elektroden 20a und 22a sind aus einem Elektrodenmaterial, wie z.B. Gold, Silber, Aluminium, Nickel, einer Kupfer-Nickel-Legierung (Monel-Metall) durch Dünnfilm-Techniken gebildet, wie z.B. Sputtern und Aufdampfen im Vakuum oder durch Drucktechniken, abhängig von den Materialien. Genauso weisen die anderen piezoelektrischen Elemente 16b und 16c ebenfalls piezoelektrische Schichten l8b und 18c auf, die beispielsweise aus Keramik bestehen. Auf den zwei Oberflächen derselben sind jeweils Elektroden 20b, 22b und 20c, 22c ausgebildet. Die Elektroden 20a bis 20c auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Elemente 16a bis 16c sind mittels leitfähiger Klebemittel mit dem Vibrator 14 verbunden.
• Währenddessen wird eine Umgebung von Knotenpunkten des Vibrators 14 von Haltebaugliedern 24 und 26 gehalten, welche aus Metalldraht bestehen. Die Haltebauglieder 24 und 26 sind an die Umgebung der Knotenpunkte des Vibrators 14 geschweißt.
• Ein Widerstand 30 ist mit dem piezoelektrischen Element 16a verbunden. Ein Widerstand 32 mit dem piezoelektrischen Element 16b verbunden ist. Eine Schwingkreis-Ausgabequelle 36 ist über eine Phasenkorrekturschaltung 34 mit den Widerständen 30 und 32 verbunden. Die Phasenkorrekturschaltung 34 und die Schwingkreis-Ausgabequelle 36 bilden eine Anregungssignal-Erzeugungsschaltung 38. Währenddessen ist die Schwingkreis-Ausgabequelle 36 mit dem anderen piezoelektrischen Element 16c verbunden. Folglich wird ein Anregungssignal zwischen den piezoelektrischen Elementen 16a, 16b und dem piezoelektrischen Element 16c angelegt, wodurch sich der Vibrator 14 in einer Richtung, die senkrecht zu der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 16c ist, biegt und in derselben schwingt.
• Ferner sind die piezoelektrischen Elemente 16a und 16b mit der Eingangsseite einer Differenzverstärkungsschaltung 40 verbunden, deren Ausgangsseite über einen Koppelkondensator 42 und einen Widerstand 44 mit einer Glättungsschaltung 46 verbunden ist. Die Glättungsschaltung 46 ist z.B. aus zwei Widerständen 48, 50 und Kondensatoren 52, 54 aufgebaut.
• Der Zwischenabschnitt zwischen dem Widerstand 44 und der Glättungsschaltung 46 ist über einen FET 56 geerdet. Wenn der FET leitend ist, ist die Ausgabe von der Differenzverstärkungsschaltung 40 geerdet. Dadurch werden keine unnötigen Ausgangssignale zu der Glättungsschaltung 46 übertragen, wobei nur die notwendigen Ausgangssignale gemessen werden. Um den FET 56 zu betreiben, ist die Schwingkreis- Ausgabequelle 36 über eine Diode 58 mit demselben verbunden. Das Gate des FETs 56 ist über einen Widerstand 60 geerdet. Der FET 56, die Diode 58 und der Widerstand 60 bilden eine Synchronisierschaltung 62.
• Das Vibrationsgyroskop 12 biegt sich in eine Richtung, die orthogonal zu der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 16c ist, und schwingt in derselben durch ein Anregungssignal von der Anregungssignal-Erzeugungsschaltung 38. Nun ist bezüglich des piezoelektrischen Elements 16a dessen periphere äquivalente Schaltung in Fig. 3 gezeigt. D.h., daß der Widerstand 30 mit der Ausgangsimpedanz Zo der Anregungssignal-Erzeugungsschaltung 38 verbunden ist. Eine Parallelschaltung der elektrostatischen Kapazität C des piezoelektrischen Elements 16a und der Eingangsimpedanz Zi der Differenzverstärkungsschaltung 40 ist mit dem Widerstand 30 verbunden. Falls nun die Impedanz Zc durch die elektrostatische Kapazität C des piezoelektrischen Elements 16a an die Abschlußimpedanz angepaßt ist, wie beispielsweise die Eingangsimpedanz Zi der Differenzverstärkungsschaltung 40, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird ein Signal, das bezüglich des Anregungssignals um 450 verschoben ist, durch die elektrostatische Kapazität C ausgegeben.
• Wenn als nächstes das Vibrationsgyroskop 12 mit der Drehwinkelgeschwindigkeit beaufschlagt wird, wird die Coriolis- Kraft ausgeübt, um eine elektromotorische Kraft in den piezoelektrischen Elementen 16a und 16b zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt verwandelt sich die äquivalente Schaltung in eine Schaltung mit einer Konstantstromquelle, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Wenn diese Schaltung in eine Schaltung transformiert wird, die eine Konstantspannungsquelle aufweist, wie die, die in Fig. 3 gezeigt ist, verwandelt sich dieselbe in eine Schaltung, wie die, die in Fig. 6 gezeigt ist. D.h., daß die elektrostatische Kapazität C aufgrund des piezoelektrischen Elements 16a mit der Konstantspannungsquelle verbunden ist. Eine Parallelschaltung des Widerstands 30 und der Eingangsimpedanz Zi der Differenzverstärkungsschaltung 40 ist mit der elektrostatischen Kapazität C verbunden. Demgemäß eilt das Signal, das aufgrund der Coriolis-Kraft ausgegeben wird, verglichen mit dem Meßsignal um 450 voraus.
• Folglich gibt es, wie in Fig. 8 gezeigt ist, die Phasendifferenz von 90º zwischen dem Signal aufgrund der elektrostatischen Kapazität C bei einer Nicht-Drehung und dem Signal aufgrund der Coriolis-Kraft bei einer Drehung. Folglich wird das Signal, das die Phasendifferenz von 90º aufweist, von der Ausgangsseite der Differenzverstärkungsschaltung 40 ausgegeben.
• Hier wird mittels der Synchronisierschaltung 62 das Signal aufgrund der Coriolis-Kraft bei der positiven Drehung mit dem positiven Abschnitt synchronisiert, wobei diese Signale gemessen werden. In diesem Fall kann der FET 56 im negativen Abschnitt des Signals aufgrund der Coriolis-Kraft leitend sein, wie in Fig. 8 gezeigt ist, so daß der negative Abschnitt nicht zu der Glättungsschaltung 46 übertragen wird. Demgemäß wird nur der positive Abschnitt des Signals aufgrund der Coriolis-Kraft mittels der Glättungsschaltung 46 geglättet, wobei durch das Messen der Signalstärke Kenntnis über die Drehwinkelgeschwindigkeit erhalten werden kann. Es ist offensichtlich, daß bei der negativen Drehung diese Signale synchron zu dem negativen Abschnitt des Signals aufgrund der Coriolis-Kraft gemessen werden.
• Zu diesem Zeitpunkt wird das Leck-Signal des Anregungssignals aufgrund des Unterschieds der elektrostatischen Kapazitäten C der piezoelektrischen Elemente 16a und 16b nicht von der Glättungsschaltung 46 ausgegeben, da der positive und der negative Abschnitt versetzt sind, da eine Phasendifferenz von 90º zu dem Signal aufgrund der Coriolis-Kraft existiert. Folglich kann, selbst wenn die elektrostatischen Kapazitäten C der piezoelektrischen Elemente 16a und 16b sich aufgrund der Temperaturabweichungen oder von Zeitänderungen ändern, ein Meßfehler, der durch dieselben bewirkt wird, beseitigt sein.
• Somit kann, wenn diese Meßschaltung 10 verwendet ist, die Drehwinkelgeschwindigkeit genau mittels des Vibrationsgyroskops 12 gemessen werden. Obwohl bei dem oben dargelegten Ausführungsbeispiel der Fall, bei dem die Impedanz Zc durch die elektrostatischen Kapazitäten C der piezoelektrischen Elemente 16a, 16b und die Abschlußimpedanz, wie z.B. die Eingangsimpedanz Zi der Differenzverstärkungsschaltung 40 angepaßt sind, beschrieben wurde, beträgt, selbst wenn diese nicht angepaßt sind, nur die Phasendifferenz der jeweiligen Signale bezüglich des Anregungssignals nicht 45º, während die Phasendifferenz zwischen dem Signal aufgrund der elektrostatischen Kapazität und denen aufgrund der Coriolis- Kraft 90º beträgt. Entsprechend kann die Phasendifferenz dieser Signale durch Auswählen der Eingangs-/Ausgangsimpedanz eingestellt werden, was eine einfache Schaltungskonfiguration zur Folge hat.
• In einigen Fällen wird jedoch zwischen dem Signal aufgrund der elektrostatischen Kapazität und denen aufgrund der Coriolis-Kraft eine leichte Phasenverschiebung erzeugt. In solchen Fällen, wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist eine Phaseneinstellschaltung 64 mit dem Zwischenabschnitt zwischen dem Widerstand 44 und der Glättungsschaltung 46 verbunden. Die Phaseneinstellschaltung 64 weist einen variablen Widerstand 66 und einen Kondensator 68 auf. Ein fester Anschluß des variablen Widerstands 66 ist mit dem Zwischenabschnitt des Widerstands 44 und der Glättungsschaltung 46 verbunden, während der andere feste Anschluß geerdet ist. Ein beweglicher Anschluß des variablen Widerstands 66 liegt über den Kondensator 68 auf Masse. Durch die Phaseneinstellschaltung 64 wird die Phase des Signals, das von der Synchronisierschaltung 62 gemessen wird, eingestellt.
• Eine derartige Meßschaltung 10 wird verwendet, wenn das Signal aufgrund der elektrostatischen Kapazität C des piezoelektrischen Elements 16a und das Signal aufgrund der Coriolis-Kraft nicht exakt die Phasendifferenz von 90º aufweisen, wie in Fig. 10A gezeigt ist. In diesem Fall wird eine Meßstellung durch Einstellen des beweglichen Anschlusses des variablen Widerstands 66 derart verschoben, daß die Messung in der Stellung durchgeführt wird, in der das Signal aufgrund der elektrostatischen Kapazität C vollständig versetzt ist, wie in Fig. 108 gezeigt ist. Daher kann das Signal aufgrund der elektrostatischen Kapazität C vollständig vernachlässigt werden, während die Drehwinkelgeschwindigkeit genau gemessen werden kann.

Claims (4)

1. Eine Meßschaltung zum Messen einer Ausgabe eines Vibrationsgyroskops (12), das einen prismenförmigen Vibrator (14) und piezoelektrische Elemente (16a, 16b) aufweist, die auf zumindest zwei Seitenflächen des Vibrators (14) ausgebildet sind, wobei die Meßschaltung (10) folgende Merkmale aufweist:

eine Anregungssignal-Erzeugungsschaltung (38) zum Anregen des Vibrators (14) durch Anlegen eines Anregungssignals an die zwei piezoelektrischen Elemente (16a, 16b)

eine Differenzschaltung (40);

eine Synchronisierschaltung (62) zum Synchronisieren eines Ausgangssignals von der Differenzschaltung (40); und

eine Glättungsschaltung (46) zum Glätten des Signals, das von der Synchronisierschaltung (62) synchronisiert und gemessen wurde;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Differenzschaltung (40) mit den piezoelektrischen Elementen (16a, 16b) verbunden ist, mit denen die Anregungssignal-Erzeugungsschaltung (38) verbunden ist; und

die Synchronisierschaltung (62) zum selektiven, bezüglich des Anregungssignals gleichphasigen Zuführen des Ausgangssignals von der Differenzschaltung (40) zu einem Ausgang der Meßschaltung angeordnet ist, wobei das Ausgangssignal von der Differenzschaltung (40) bezüglich der Phase des Anregungssignals eine Phasendifferenz von 90º aufweist, so daß nur positive oder nur negative Halbwellen des Eingangssignals der Meßschaltung, die durch die Coriolis-Kraft bewirkt werden, gemessen werden.

2. Eine Meßschaltung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Phaseneinstellschaltung (64) zum Einstellen der Phase des Ausgangssignals von der Differenzschaltung (40), die von der Synchronisierschaltung gemessen wird.

3. Eine Meßschaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierschaltung (62) einen FET (56) zum Beseitigen eines unnötigen Signals, das von der Differenzschaltung ausgegeben wird, aufweist.

4. Eine Meßschaltung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phaseneinstellschaltung (64) aus einem variablen Widerstand (66) und einem Kondensator (68) aufgebaut ist, um die Phase des Signals, das von der Synchronisierschaltung gemessen wird, einzustellen.