DE4336004C2 - Schwingungsgyroskop - Google Patents
SchwingungsgyroskopInfo
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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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19934336004 DE4336004C2 (de) | 1993-10-21 | 1993-10-21 | Schwingungsgyroskop |
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Publications (2)
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DE4336004C2 true DE4336004C2 (de) | 1998-05-28 |
Family
ID=6500725
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