DE3878182T2 - Schwingkreisel. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingkreisel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Antriebsverfahren gemäß Anspruch 5.
• Schwingkreisel der genannten Art sind in den PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Bd. 11, Nr. 319 (P-627) 2766, 17.10.1987 (& JP-A-62 106 314) und in EP-A-0 171 378 offenbart.
• Schwingkreisel arbeiten nach dem Prinzip, daß eine Corioliskraft erzeugt wird, wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf ein sich bewegendes Objekt wirkt. Genauer gesagt wird eine Corioliskraft erzeugt, wenn einem schwingenden Gegenstand eine Winkelgeschwindigkeit erteilt wird, und der Betrag dieser Kraft wird als Verschiebung des Gegenstandes ermittelt, wobei die Winkelgeschwindigkeit, die auf den Gegenstand wirkt, bestimmt wird.
• Die Funktionsweise einer Art von Schwingkreisel, eines H- förmigen Schwingkreisels, wird im folgenden mit Bezug auf Figur 2 beschrieben: Piezoelektrische Antriebsmittel 1 werden angetrieben, um einen Resonator 3 in X-Richtung in Schwingung zu versetzen. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Z-Achse herum auf den schwingenden Resonator 3 wirkt, wird in dem Resonator 3 in Y-Richtung eine Corioliskraft erzeugt, die in dem Resonator 3 in der Y-Richtung Biegeschwingungen erzeugt. Diese Biegeschwingungen in der Y-Richtung werden von die Corioliskraft erfassenden piezoelektrischen Erfassungsmitteln 2 erfaßt, und es wird die auf den Resonator 3 wirkende Winkelgeschwindigkeit Ω aufgrund der ermittelten Corioliskraft berechnet. Pluszeichen (+) und Minuszeichen (-) in Figur 2 bezeichnen die Polarität der piezoelektrischen Antriebsvorrichtungen. Wenn beispielsweise die piezoelektrischen Antriebsmittel 1 mit der gleichen Spannung angesteuert werden, so wird in der mit dem Pluszeichen markierten piezoelektrischen Vorrichtung eine Verschiebung erzeugt, die gegenüber der mit dem Minuszeichen bezeichneten piezoelektrischen Vorrichtung eine umgekehrte Richtung aufweist.
• Im Schwingkreisel nach dem bekanntem Stand der Technik wird die piezoelektrische Vorrichtung 1 durch Versorgung mit Wechselstrom konstanter Amplitude betrieben.
• Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Z-Achse auf einen Gegenstand mit der Masse M wirkt, der sich mit der Geschwindigkeit U in der X-Y-Ebene bewegt, läßt sich die erzeugte Corioliskraft G wie folgt darstellen:
• G = - 2 M Ω U.
• Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω in Bezug auf die Corioliskraft G eine gewisse Proportionalität aufweisen soll, muß die Geschwindigkeit U des sich bewegenden Gegenstandes konstant sein. Anders gesagt muß der Resonator mit konstanter Schwingungsgeschwindigkeit in Schwingung versetzt werden, um sicherzustellen, daß die auf den Schwingkreisel wirkende Winkelgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit aus der erfaßten Corioliskraft ermittelt werden kann.
• Wenn jedoch die Winkelgeschwindigkeit auf den Schwingkreisel wirkt, ändert sich dessen mechanischer Widerstand. Es war deshalb bei dem herkömmlichen, mit konstanter Spannung betriebenen Schwingkreisel schwierig, die konstante Schwingungsgeschwindigkeit ohne Rücksicht auf die auf den Kreisel wirkende Winkelgeschwindigkeit beizubehalten. Dieses Problem ist im folgenden in Bezug auf Figur 3 beschrieben, welche ein Gesamtäquivalenzschaltbild als Annäherung des in Figur 2 gezeigten H-förmigen Schwingkreisels darstellt.
• In der in Figur 3 gezeigten Äquivalenzschaltung stellt ein Kästchen 11, das von einer strichpunktierten Linie umgeben ist, eine Äquivalenzschaltung einer Antriebseinheit dar, die sich aus den piezoelektrischen Antriebsmitteln 1 zusammensetzt, und ein Kästchen 12, das ebenfalls von einer strichpunktierten Linie umgeben ist, bezeichnet eine Äquivalenzschaltung einer Erfassungseinheit für die Corioliskraft, die sich aus die Corioliskraft erfassenden piezoelektrischen Erfassungsmitteln 2 zusammensetzt. Die Impedanz Zxe, welche aus dem Widerstand Rxe, der Induktivität Mxe und der Kapazität Sxe besteht, entspricht einer angenäherten Äquivalenzschaltung einer Schwingungsart (X- Richtung) auf der Antriebsseite. Die Impedanz Zye, bestehend aus dem Widerstand Rye, der Induktivität Mye und der Kapazität Sye, entspricht einer angenäherten Äquivalenzschaltung einer Schwingungsart (Y-Richtung) auf der Seite, auf welcher die Corioliskraft erfaßt wird. Die Funktionsweise eines Schwingkreisels kann mit Bezug auf die in Figur 3 gezeigte Äquivalenzschaltung wie folgt beschrieben werden: Wenn der Schwingkreisel aus einer Antriebsstromquelle mit einer Spannung V&sub1; versorgt wird, fließt in der Antriebseinheit 11 ein Strom X&sub0;. Wenn in diesem Zustand auf den Schwingkreisel die Winkelgeschwindigkeit Ω&sub0; wirkt, wird eine Corioliskraft Gx erzeugt, die sich in der folgenden Gleichung ausdrücken läßt:
• Gx = - 2 Mxe Ω&sub0; X&sub0; ...(1)
• Es fließt dann in der Erfassungseinheit 12 ein Strom Y&sub0; als Ergebnis der Corioliskraft Gx, der eine Corioliskraft- Erfassungsausgangsspannung V&sub2; erzeugt.
• Die in Figur 3 gezeigte Gesamtäquivalenzschaltung wird mit der konstanten Spannung V&sub1; versorgt. Wenn sich aber die Impedanz Zxe ändert, so ändert sich auch der in der Antriebseinheit 11 fließende Strom X&sub0;. Hinsichtlich des Schwingkreisels, der mit der konstanten Spannung V&sub1; versorgt bzw. angetrieben wird, bedeutet das, daß sich die Schwingungsgeschwindigkeit des Resonators ändert, wenn sich der mechanische Widerstand des Kreisels aufgrund der Wirkung der Winkelgeschwindigkeit ändert. Wie aus der vorangegangenen, auf der Äquivalenzschaltung beruhenden Diskussion hervorgeht, war es bei den herkömmlichen, mit konstanter Spannung angetriebenen Schwingkreiseln schwierig, die konstante Schwingungsgeschwindigkeit unabhänging von der Winkelgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Wenn die Schwingungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit, die auf den Kreisel wirkt, variiert, so kann letztere aus den bereits oben genannten Gründen nicht mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Schwingkreisel zu schaffen, der in der Lage ist, einen Resonator unabhängig von der auf ihn wirkenden Winkelgeschwindigkeit mit konstanter Schwingungsgeschwindigkeit anzutreiben und der somit für die genaue Erfassung der auf den Kreisel wirkenden Winkelgeschwindigkeit geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch den Schwingkreisel gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 6 gelöst.
• Weitere vorteilhafte Merkmale des Schwingkreisels und seines Antriebsverfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die vorliegende Erfindung löst die vorgenannten Probleme des bekannten Standes der Technik durch Antreiben einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung mit konstantem Wechselstrom.
• Wenn die piezoelektrische Antriebsvorrichtung mit dem konstanten Wechselstrom betrieben wird, schwingt der Resonator immer mit konstanter Geschwindigkeit, auch wenn aufgrund der Wirkung der Winkelgeschwindigkeit bei dem mechanischen Widerstand des Schwingkreisels Änderungen auftreten. Dies ermöglicht eine genaue Erfassung der Winkelgeschwindigkeit, da die Konstanz der Schwingungsgeschwindigkeit beim Betrieb eine gewisse konstante, lineare Beziehung zwischen der auf den Kreisel wirkenden Winkelgeschwindigkeit und der Corioliskraft, die in ihm erzeugt wird, herstellt.
• Sonstige und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich im einzelnen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
• Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines Schwingkreisels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines charkteristischen Schwingkreisels in H-Form; und
• Figur 3 ist ein Gesamtäquivalenzschaltblid eines Schwingkreisels in H-Form.
• Anhand von Figur 1 wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Schwingkreisel gemäß der vorliegenden Erfindung verfügt über einen Resonator 3, der im wesentlichen der gleiche ist wie in Figur 2 in Verbindung mit dem bekannten Stand der Technik. Charakteristisch für die vorliegende Erfindung ist es, daß der Resonator 3 mit vier piezoelektrischen Vorrichtungen 5 zur Erfassung angeregter Schwingungen ausgerüstet ist, die zu den piezoelektrischen Antriebsvorrichtungen 1 im Verhältnis 1 : 1 stehen, und dadurch einen selbsterregenden Schwingkreis bilden, der Ausgangsspannungen von den die erregten Schwingungen erfassenden piezoelektrischen Vorrichtungen 5 zur Erzeugung einer Antriebsspannung für die piezoelektrischen Antriebsvorrichtungen 1 verwendet. Gleichzeitig ist in den selbsterregenden Schwingkreis ein Konstantstromkreis 6 eingebaut, um sicherzustellen, daß die piezoelektrischen Vorrichtungen 1 von einem konstanten Wechselstromausgang mit konstanter Amplitude angesteuert werden. Der in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 vorgesehene, selbsterregende Schwingkreis schließt ein Tiefpaßfilter 7, einen Effektivwertgleichspannungswandler 8 (RMS) und einen Multiplizierer 9 ein. Das Tiefpaßfilter 7 filtert harmonische Komponenten aus einer von den piezoelektrischen Vorrichtungen 5 erfaßten Wechselspannung heraus. Der Effektivwertgleichspannungswandler 8 wandelt eine gefilterte Wechselspannung in eine Effektivwertgleichspannung um, zum Beispiel durch Invertieren negativer Halbwellen mit einem Operationsverstärker und Dioden und nachfolgendem Glätten der invertierten Spannung mit einem Filter. Der Multiplizierer 9 hat die Funktion, den Konstantstromkreis 6 mit einer geregelten Spannung auf der Grundlage der gefilterten Wechselspannung und der Effektivwertgleichspannung zu versorgen. Als Multiplizierer 9 können zum Beispiel der "Internal trimming high-precision IC multiplier" AD632 und AD534 vom Hersteller Analog Devices Inc. sowie der "Analog multiplier" NJM4200 vom Hersteller New Japan Radio Co. Ltd. verwendet werden.
• Im Konstantstromkreis 6 wird der Ausgang des Operationsverstärkers A1 über einen Widerstand R4 (z.B. 11kΩ) zurückgeführt auf den invertierten Eingang desselben. Eine an einem Ende eines Widerstandes R3 (z.B. 1kΩ) erzeugte Spannung wird durch R2 (z.B. 10kΩ) und R5 (z.B. 10kΩ) geteilt und nicht invertiert bzw. positiv zum Operationsverstärker A1 zurückgeführt. Im nicht-invertierten Rückkopplungsstromkreis wird zur Verminderung eines möglichen Stromfehlers ein zusätzlicher Operationsverstärker A2 eingesetzt.
• In dem Schwingkreisel mit der oben beschriebenen Schaltungskonfiguration werden die piezoelektrischen Antriebsvorrichtungen 1, die am Resonator 3 befestigt sind, durch die Selbsterregung zum Schwingen gebracht und mit dem konstanten Wechselstrom angesteuert. Falls der Resonator 3 durch Ansteuern der piezoelektrischen Vorrichtungen 1 mit konstantem Wechselstrom zum Schwingen gebracht wird, so ändert sich dessen Schwingungsgeschwindigkeit trotz der auf den Schwingkreisel wirkenden Winkelgeschwindigkeit nicht. Dies ist so, weil der "Konstantstrombetrieb" bedeutet, daß der Strom X&sub0;, der in der Antriebseinheit 3 der in der Figur 3 gezeigten Gesamtäquivalenzschaltung fließt, konstant bleibt, auch wenn die Impedanz Zxe variiert. Da der Strom X&sub0; der Schwingungsgeschwindigkeit des Resonators entspricht, bedeutet der Konstantstrombetrieb, daß der Resonator des Schwingkreisels mit konstanter Geschwindigkeit schwingt. Wenn die Schwingungsgeschwindigkeit konstant ist, wird zwischen der Winkelgeschwindigkeit und der Corioliskraft stets ein gleichbleibend lineares Verhältnis aufrechterhalten, wie in der Gleichung (1) zum Ausdruck gebracht, wodurch eine genaue Erfassung der auf den Kreisel wirkenden Winkelgeschwindigkeit ermöglicht wird.
• In dem oben genannten Anwendungsbeispiel werden die piezoelektrischen Antriebsvorrichtungen 1 mit dem konstantem Wechselstrom im Schwingungsmodus mit Selbsterregung betrieben.
• Es ist auch zu erwähnen, daß das Konzept der vorliegenden Erfindung nicht nur auf den Schwingkreisel in H-Form, sondern auch auf einen Schwingkreisel vom Stimmgabeltyp, einen Schwingkreisel vom Stimmstabtyp, etc. anwendbar ist.
• Wie auf den vorstehenden Seiten beschrieben, wird der Schwingkreisel gemäß der vorliegenden Erfindung mit konstanten Wechselstrom betrieben. Hierdurch kann der Resonator mit konstanter Schwingungsgeschwindigkeit betrieben werden, unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit die auf ihn wirkt, wodurch die Genauigkeit der Winkelgeschwindigkeitserfassung verbessert wird.

Claims (6)

1. Schwingkreisel, mit

a) einem Resonator (3);

b) piezoelektrischen Antriebsmitteln (1), die an dem Resonator (3) befestigt sind, um den Resonator (3) in der X-Richtung eines resonatorfesten X-Y-Z-Koordinatensystems in Schwingung zu versetzen;

c) zweiten piezoelektrischen Erfassungsmitteln (2) für die Erfassung einer Schwingung in der Y-Richtung, die durch eine von einer Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse verursachten Corioliskraft erzeugt wird; und

d) einem Antriebsstromkreis für den Antrieb der piezoelektrischen Mittel (1); gekennzeichnet durch

e) erste piezoelektrische Erfassungsmittel (5), die an dem Resonator (3) befestigt sind, um eine in dem Resonator (3) in der X-Richtung erregte Schwingung zu erfassen; und

f) einen Steuerstromkreis (6,7,8,9) für den Antriebsstromkreis zur Erzeugung eines konstanten Antriebswechselstroms für die piezoelektrischen Antriebsmittel (1) durch Verwendung der Ausgangswechselspannung der ersten piezoelektrischen Erfassungsmittel (5).

2. Schwingkreisel gemäß Anspruch 1, bei dem der Resonator (3) H-förmig ausgebildet ist, und bei dem die piezoelektrischen Antriebsmittel (1) vier piezoelektrische Antriebsvorrichtungen umfassen, die jeweils an den vier Schenkeln des H- förmigen Resonators befestigt sind, wobei die ersten piezoelektrischen Erfassungsmittel (5) vier erste piezoelektrische Erfassungsvorrichtungen umfassen, die jeweils an den vier Schenkeln des H-förmigen Resonators befestigt sind, und wobei die Antriebsmittel (1) und ersten piezoelektrischen Erfassungsmittel (5) sich im Verhältnis 1 : 1 entsprechen.

3. Schwingkreisel gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Steuerstromkreis folgendes umfaßt:

- einen Spannungsregelkreis (7,8,9) zur Erzeugung einer geregelten Wechselspannung durch Verwendung der Ausgangswechselspannung der ersten piezoelektrischen Erfassungsmittel (5); und

- einen Gleichstromkreis (6) zur Erzeugung des konstanten Antriebswechselstromes durch Verwendung der geregelten Wechselspannung.

4. Schwingkreisel gemäß Anspruch 3, bei dem der Spannungsregelkreis folgendes umfaßt:

- ein Tiefpaßfilter (7) zur Unterdrückung von harmonischen Komponenten aus der Ausgangs spannung der ersten piezoelektrischen Erfassungsmittel (5) zur Erzeugung einer gefilterten Wechselspannung;

- einen Gleichspannungwandler (8) zur Umwandlung der gefilterten Wechselspannung in eine Gleichspannung durch Bildung des quadratischen Mittelwertes; und

- einen Verstärker (9) zur Erzeugung der geregelten Wechselspannung auf der Grundlage der gefilterten Wechselspannung und der Gleichspannung.

5. Verfahren zum Antrieb eines Schwingkreisels, der mittels piezoelektrischer Antriebsmittel (1) angetrieben wird, die an eine Antriebswechselspannung angeschlossen und an einem Resonator (3) befestigt sind, welches die folgenden Schritte umfaßt:

a) Erfassung einer in dem Resonator (3) mittels der ersten piezoelektrischen Erfassungsmittel (5) erregten Schwingung, um eine Wechselspannung zu erhalten;

b) Verwendung der erfassten Wechselspannung zur Erzeugung eines konstanten Antriebswechselstroms;

c) Antreiben des Resonators (3) mit dem konstanten Antriebswechselstrom.

6. Verfahren zum Antrieb eines Schwingkreisels gemäß Anspruch 5, das des weiteren die folgenden Schritte umfaßt:

d) Erzeugung einer geregelten Wechselspannung durch Verwendung der erfaßten Wechselspannung; und

e) Erzeugung des konstanten Antriebswechselstromes durch Verwendung der geregelten Wechselspannung.