DE10046649C2 - Vibrationsgyroskop - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vibrations­ gyroskop und insbesondere auf ein piezoelektrisches Vibra­ tionsgyroskop.

Bei piezoelektrischen Vibrationsgyroskopen gibt es im allge­ meinen einen Typ, bei dem der Vibrator aus einer Vibrations­ zunge besteht, und einen Typ, bei dem der Vibrator aus einer Stimmgabel besteht. Unter den Vibratoren, die bei piezoelek­ trischen Vibrationsgyroskopen verwendet werden, gibt es fer­ ner einen Typ, bei dem der Vibrator selbst aus einem piezo­ elektrischen Keramikmaterial hergestellt ist, wobei Elektro­ denfilme, die ein Erfassungselement und Treiberelement bil­ den, auf demselben gebildet sind, und einen Typ, bei dem der Vibrator aus einem Baugliedmaterial, wie z. B. einem elasti­ schen Metall, das mechanische Vibrationen bzw. Schwingungen erzeugt, hergestellt ist, wobei piezoelektrische Elemente, die ein Erfassungselement und ein Treiberelement bilden, auf demselben gebildet sind.

Bei diesen Vibrationsgyroskopen wird durch die Verwendung eines piezoelektrischen Materials ein Biegeversatz eines Vibrators aufgrund einer Coriolis-Kraft, die zu dem Zeit­ punkt, wenn eine Drehwinkelgeschwindigkeit auf den Vibrator ausgeübt wird, erzeugt wird, in ein elektrisches Signal um­ gewandelt, wobei ein elektrisches Ausgangssignal, das zu der Drehwinkelgeschwindigkeit proportional ist, durch eine Er­ fassungsschaltung erhalten wird.

Ein herkömmliches Beispiel einer Signalverarbeitungsschal­ tung zur Verarbeitung von Erfassungssignalen, die bei diesen Vibrationsgyroskopen von einem Vibrator ausgegeben werden, wird im folgenden bezugnehmend auf Fig. 3 erläutert.

In Fig. 3 stellt das Bezugszeichen 1 einen Vibrator dar. Der Vibrator 1 ist mit einem Vibrationskörper 2, zwei Erfas­ sungselementen 3a und 3b und einem Treiberelement 3c ver­ sehen. Die zwei Erfassungselemente 3a und 3b sind über Ver­ drahtungen 7a und 7b jeweils mit den Eingangsstufen von Puf­ ferverstärkern 4a und 4b verbunden. Ferner sind die Verdrah­ tungen 7a und 7b jeweils über Lastwiderstände R_L mit einer Referenzspannung Vref verbunden. Das Ausgangssignal aus dem Pufferverstärker 4a wird in einen Addierer 5 und eine Diffe­ rentialschaltung 6 eingegeben, wobei auf die gleiche Weise das Ausgangssignal aus dem Pufferverstärker 4b in den Addie­ rer 5 und die Differentialschaltung 6 eingegeben wird. Das Ausgangssignal aus dem Addierer 5 wird dann in eine Treiber­ schaltung 11 zurückgekoppelt, wobei das Ausgangssignal als Winkelgeschwindigkeitserfassungssignal aus der Differential­ schaltung 6 in eine nächste Stufe, die eine Schaltung zur Aufbereitung des Erfassungssignals bildet, ausgegeben wird.

Das oben erläuterte herkömmliche Vibrationsgyroskop weist die folgenden Probleme auf.

So werden bei dem herkömmlichen Vibrationsgyroskop in der Schaltung zur Verarbeitung des Erfassungssignals zwischen den Verdrahtungen 7a und 7b, die jeweils mit dem Vibrator 1 und Masse (oder einer Referenzspannung) verschaltet sind, parasitäre Kapazitäten C_sa und C_sb erzeugt.

Obwohl diese parasitären Kapazitäten C_sa und C_sb lediglich geringfügige negative Auswirkungen haben, wenn der Vibrator 1 eine große Dimensionierung aufweist und das durch den pie­ zoelektrischen Effekt erhaltene elektrische Signal groß ist, wurde durch die Miniaturisierung des Vibrators 1 in den letzten Jahren die Kapazität der piezoelektrischen Elemente als Erfassungselement reduziert, wodurch die Wirkung der obigen parasitären Kapazitäten nicht mehr vernachlässigbar ist, und dadurch Schwankungen des Pegels und der Phase der Ausgangssignale von den zwei Erfassungselementen 3a und 3b hervorgerufen werden.

Es ist möglich, diese Schwankungen zu unterdrücken, indem die parasitären Kapazitäten C_sa und C_sb gleich groß gemacht werden, wobei es dafür jedoch erforderlich ist, daß die Ver­ drahtungen 7a und 7b, die die zwei Erfassungselemente 3a und 3b mit den Pufferverstärkern 4a und 4b verbinden, derart ausgestaltet werden, daß dieselben die gleiche Länge und Breite aufweisen und somit zueinander symmetrisch sind.

Um jedoch Verdrahtungen zu bilden, die die obigen Anforde­ rungen erfüllen, werden viele neue Einschränkungen bezüglich des Entwurfs der Verdrahtungen auferlegt, wobei diese Ein­ schränkungen Haupthinderungsgründe für eine Miniaturisierung der Schaltungsplatine darstellen.

Wenn die Schaltungsplatine, bei der eine Schaltungsstruktur, die die obigen Bedingungen erfüllt, gebildet ist, in eine Vibrationsgyroskopeinheit eingebracht wird, wird die Schal­ tung durch neue parasitäre Kapazitäten (die die Schaltung beeinflussen), die zwischen der Schaltungsstruktur und den anderen Elementen, wie z. B. dem Gehäuse der Einheit ohne der Schaltung, erzeugt werden, beeinträchtigt.

Wenn sich die Betriebsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtig­ keit usw.) der Vibrationsgyroskopeinheit ändern, werden sich auch die parasitären Kapazitäten ändern, wodurch Schwankun­ gen des Pegels und der Phase der Ausgangssignale aus dem Vibrator hervorgerufen wurden.

Die DE 961 26 381 T2 offenbart einen gyroskopischen Wandler, bei dem eine Masse mit einer inneren Kardanrahmenplatte verbunden ist, die ferner mit einer äußeren Kardanrahmen­ platte verbunden ist. Eine durch die Masse hervorgerufene Schwingung der inneren Kardanrahmenplatte wird mittels Brückenelektroden erfaßt. Die Brückenelektroden sind an einer Anlandung mit einem Siliziumrahmen verbunden, wobei die Elektrodenanlandung über eine Oxidschicht elektrisch von dem Siliziumrahmen isoliert ist. Ferner ist unterhalb der Anlandung ein elektrischer Isolationsbereich vorgesehen, der bei dem selben Potential wie die Elektrodenanlandung getrieben wird. Ferner ist bei dem gyroskopischen Wandler vorgesehen, einen Puffervorverstärker als einen Impedanzwandler in der Nähe der Brückenelektrodenanlandung anzuordnen, um die Impedanz des Signals zum Übertragen an eine Elektronik zu vermindern.

Die DE 694 10 973 T2 offenbart eine Oszillatorschaltung zum Erzeugen eines Treibersignals für einen Vibrator unter Ver­ wendung von Erfassungssignalen des Vibrators. Die Erfas­ sungssignale werden über Pufferverstärker in einen Addierer eingegeben, so daß die Signale invertiert und addiert werden. Ein Ausgangssignal des Addierers wird zum Erzeugen eines Steuersignals verwendet, um einen Signalverlauf und eine Phase eines Treibersignals zum Treiben des Vibrators zu steuern.

Die DE 692 10 979 T2 zeigt einen Vibrationskreisel, bei dem Ausgangssignale von Erfassungselektroden in jeweilige Differenzverstärker eingegeben werden. Ausgangssignale der Differenzverstärker werden in einem Addierer addiert und daraufhin einer Treibervorrichtung zugeführt, um ein Trei­ bersignal zum Treiben von piezoelektrischen Elementen zu erzeugen, die auf einem Schwingungsteil des Vibrations­ kreisel angeordnet sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Vibra­ tionsgyroskop zu schaffen, bei dem der Einfluß parasitärer Kapazitäten unterdrückt werden kann, und bei dem eine Stabi­ lisierung der Ausgangssignale ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Vibrationsgyroskop gemäß An­ spruch 1 und 2 gelöst.

Die vorliegende Erfindung verringert die Schwankungen der Charakteristika eines Vibrationsgyroskops, indem eine Schal­ tungstechnik mit einer angesteuerten Abschirmung auf den Schaltungsaufbau angewendet wird, und indem die Erzeugung einer parasitären Kapazität selbst unterdrückt wird.

Das Vibrationsgyroskop weist folgende Merkmale auf: einen Vibrator mit einer Mehrzahl von Erfassungselementen und ei­ nem Treiberelement; eine Mehrzahl von Verstärkern zum Ver­ stärken von Erfassungssignalen von den jeweiligen Erfas­ sungselementen; eine Mehrzahl von Verdrahtungen, die jeweils zwischen die Mehrzahl von Erfassungselementen und die Mehr­ zahl von Verstärkern geschaltet sind, wobei die Mehrzahl von Verdrahtungen mit einem elektrischen Potential, das auf ei­ nem Ausgangssignal der Verstärker basiert, abgeschirmt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die parasitären Kapazitäten an den Eingangsstufen der Verstärker selbst dann Null, wenn eine unterschiedliche Verdrahtung zwischen einer Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen vorhanden ist. Folg­ lich können zahlreiche Probleme aufgrund der parasitären Ka­ pazitäten gelöst werden.

Beispielsweise wird es bei der Entwicklung von Schaltungen nicht mehr notwendig sein, den Aufbau der Schaltungen und den konstruktiven Entwurf derselben weiterhin unter der Be­ rücksichtigung der Erzeugung von Unterschieden der parasi­ tären Kapazitäten vorzunehmen, wobei folglich der Freiheits­ grad für den Entwurf erhöht und eine Miniaturisierung des Vibrationsgyroskops ermöglicht wird.

Selbst bei Änderungen der Umgebungsbedingungen werden die Unterschiede der parasitären Kapazitäten nicht geändert, wo­ bei folglich die Änderung der Ausgangssignale eines Vibra­ tors lediglich durch die Änderung der korrekten Charakteri­ stika des Vibrators hervorgerufen wird. Daher werden die Auswirkungen der Umgebungsbedingungen auf das Ausgangssignal von einem Vibrationsgyroskop verringert, wobei ferner die Korrektur in anderen Schaltungen einfacher wird, da die Än­ derung des Ausgangssignals aufgrund der korrekten Charakte­ ristika des Vibrators auftritt, wobei so ein stabileres und zuverlässigeres Ausgangssignal aus dem Vibrationsgyroskop erhalten werden kann.

Außerdem wird das Ausgangssignal aus der Addiereinrichtung nahezu die gleiche Amplitude wie jedes Signal der Mehrzahl von Ausgabeeinrichtungen aufzuweisen, wobei es folglich er­ möglicht wird, die Verbindungseinrichtung mittels einer an­ gesteuerten Abschirmung, die das Ausgangssignal der Addier­ einrichtung verwendet, vor parasitären Kapazitäten zu schüt­ zen. Dies macht eine Verwendung eines Ausgangssignals aus jedem der Verstärker unnötig. Wenn die Schaltung als inte­ grierte Schaltung (IC) gebildet ist, kann daher die Anzahl der Anschlußstifte reduziert werden, wobei ferner der Frei­ heitsgrad bezüglich des Entwurfs der Schaltungsstrukturen erhöht wird, die Größe des Vibrationsgyroskops weiter redu­ ziert wird und die Kosten für den Entwurf des Vibrationsgy­ roskops verringert werden, da sich die Schaltungsstruktur jeder der angesteuerten Abschirmungen auf dem gleichen Po­ tential befindet.

Zu Darstellungszwecken der Erfindung sind in den Zeichnungen verschiedene Ausführungsformen gezeigt, die gegenwärtig be­ vorzugt werden, wobei es jedoch offensichtlich sein sollte, daß die Erfindung nicht auf die genauen, gezeigten Anordnun­ gen und Ausführungen beschränkt ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltungsaufbau eines Vibrationsgyroskops gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung;

Fig. 2 einen Schaltungsaufbau eines Vibrationsgyroskops gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung; und

Fig. 3 einen Schaltungsaufbau eines herkömmlichen Vibra­ tionsgyroskops.

Bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt das Vibrationsgyroskop gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einen Vibrator 1. Der Vi­ brator 1 ist mit einem Vibrationskörper 2, zwei Erfassungs­ elementen 3a und 3b und einem Treiberelement 3c versehen.

Das Treiberelement 3c ist mit einer Treiberschaltung 11 ver­ bunden, und der Vibrationskörper 2 vibriert aufgrund eines Treibersignals von dem Treiberelement 3c.

Wie es hierin im vorhergehenden beschrieben wurde, kann der Vibrator 1 ein Vibrationszungentyp oder ein Stimmgabeltyp sein, wobei das Material des Vibrationskörpers 2 ein belie­ biges Material, das mechanische Vibrationen bzw. Schwingun­ gen erzeugt, wie z. B. ein dauerelastisches Metallmaterial aus einer Elinvar-Legierung usw., und/oder ein piezoelektri­ sches Keramikmaterial, das Blei-Titanat usw. enthält, als dessen Hauptkomponenten aufweisen kann. Wenn der Vibrations­ körper 2 aus einem Metallmaterial gebildet ist, werden plat­ tenartige piezoelektrische Elemente, die in der Dickenrich­ tung polarisiert sind, für die Erfassungselemente 3a und 3b verwendet, wobei Elektroden für die Erfassungselemente 3a und 3b verwendet werden, wenn der Vibrationskörper 2 aus ei­ nem piezoelektrischen Keramikmaterial gebildet ist.

Die zwei Erfassungselemente 3a und 3b sind jeweils über Ver­ drahtungen 7a und 7b mit den Eingangsstufen von Pufferver­ stärkern 4a und 4b verbunden. Ferner sind die Verdrahtungen 7a und 7b über Lastwiderstände R_L mit einer Referenzspannung Vref verbunden. Das Ausgangssignal aus dem Pufferverstärker 4a wird in einen Addierer 5 als Addiereinrichtung und eine Differentialschaltung 6 eingegeben, wobei auf die gleiche Weise das Ausgangssignal aus dem Pufferverstärker 4b in den Addierer 5 und die Differentialschaltung 6 eingegeben wird. Das Ausgangssignal aus dem Addierer 5 wird dann in die Trei­ berschaltung 11 zurückgekoppelt, wobei das Ausgangssignal aus der Differentialschaltung 6 als Winkelgeschwindigkeits­ erfassungssignal in eine nächste Stufe einer Schaltung zur Aufbereitung des Erfassungssignals ausgegeben wird (nicht dargestellt).

Bei dem Schaltungsaufbau ist eine Schaltungstechnik einer angesteuerten Abschirmung verwendet worden, um parasitäre Kapazitäten, die zwischen den Verdrahtungen 7a und 7b er­ zeugt werden, die mit dem Vibrator 1 und der Referenzspan­ nung verbunden sind, zu verhindern. Dies wird im folgenden erläutert.

Die Technik einer angesteuerten Abschirmung soll als eine Schutzelektrode verwendet werden, um die Eingangsstabilität von Verstärkern, wie z. B. eines Vibrationsverstärkers mit einer hohen Eingangsimpedanz, zu verbessern. Diese Technik verhindert, daß eine parasitäre Kapazität und ein Leckstrom zwischen dem Eingangsabschnitt eines Verstärkers und der Re­ ferenzspannung in dessen Nähe erzeugt wird.

Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wird bei dem Schaltungsaufbau eines Vibrationsgyroskops der vorliegenden Erfindung das Ausgangssignal aus dem Addierer 5 als Treibersignalquelle einer angesteuerten Abschirmung verwendet, wenn die Signale aus den zwei Erfassungselementen 3a und 3b addiert werden. Der Addierer 5 addiert nicht nur die Ausgangssignale von den zwei Erfassungselementen 3a und 3b, sondern gibt auch das addierte Signal aus, das nahezu die gleiche Amplitude wie das Ausgangssignal aufweist, das aus jedem der zwei Erfas­ sungselemente 3a und 3b ausgegeben wird, da der Addierer 5 einen Verstärkungsfaktor von 1/2 aufweist.

Die Verdrahtungen 7a und 7b sind mit Abschirmungen 8a und 8b versehen, derart, daß die Abschirmungen 8a und 8b jeweils die Verdrahtungen 7a und 7b umgeben. Die Verdrahtungen 7a und 7b und die Abschirmungen 8a und 8b können Koaxialkabel sein, bei denen die Mittelleiter als die Verdrahtungen 7a und 7b jeweils koaxial von den Außenleitern als Abschirmung 8a und 8b umgeben sind. Alternativ sind erste leitfähige Verdrahtungsstrukturen als die Verdrahtungen 7a und 7b auf einer Schaltungsplatine vorgesehen, wobei zweite leitfähige Verdrahtungsstrukturen als die Abschirmung 8a und 8b auf der Schaltungsplatine angeordnet sein können, um von den anderen leitfähigen Verdrahtungsstrukturen umgeben zu sein. In die­ sem Fall können die zweiten leitfähigen Verdrahtungsstruk­ turen, die als die Abschirmung 8a und 8b wirksam sind, auf der gleichen Schaltungsplatine vorgesehen sein und/oder ge­ stapelt sein, um zwischen der ersten leitfähigen Verdrah­ tungsstruktur zu liegen, indem eine Mehrschichttechnik ver­ wendet wird.

Die Abschirmungen 8a und 8b sind über einen Impedanzwandler 10 mit dem Ausgang des Addierers 5 verbunden. Der Impedanz­ wandler 10 weist eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedri­ ge Ausgangsimpedanz auf; ein Operationsverstärker ist bei­ spielsweise ein bekanntes Element, um als Impedanzwandler zu arbeiten.

Entsprechend dem oben erläuterten Aufbau werden die Abschir­ mungen 8a und 8b mit einem elektrischen Potential vorge­ spannt oder angesteuert, das mit dem elektrischen Potential der Erfassungssignale, die über die Verdrahtungen 7a und 7b übertragen wird, übereinstimmt. Als Ergebnis wird die Umge­ bung der Verdrahtungen 7a und 7b auf einem elektrischen Po­ tential gehalten, das mit dem der Erfassungssignale, die über die Verdrahtungen 7a und 7b übertragen wird, überein­ stimmt, wodurch verhindert wird, daß parasitäre Kapazitäten erzeugt werden.

Als nächstes wird bezugnehmend auf Fig. 2 ein Vibrationsgy­ roskop gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung erläutert. Die gleichen baulichen Elemente wie bei dem Schaltungsaufbau eines Vibrationsgyroskops gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, weisen die gleichen Bezugszeichen auf, wobei deren nochmali­ ge Erläuterung weggelassen ist.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung wird jede der Aus­ gangsstufen aus Pufferverstärkern 4a und 4b eine Treiber­ quelle für eine angesteuerte Abschirmung, wobei die Abschir­ mungen 8a und 8b über die Impedanzwandler 10 jeweils mit dem Ausgang der Pufferverstärker 4a und 4b verbunden sind.

Mit diesem Aufbau wird die Schaltung im Vergleich zu dem er­ sten Ausführungsbeispiel komplizierter, da nun zwei Treiber­ quellen vorhanden sind, wobei jedoch die parasitäre Kapazi­ tät wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel unterdrückt wird.

Außerdem ist ein Vibrationsgyroskop gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele be­ grenzt, wobei beispielsweise der Schaltungsaufbau der ange­ steuerten Abschirmungen nicht auf den bei den obigen Aus­ führungsbeispielen gezeigten Aufbau beschränkt ist.

Bei einem Vibrationsgyroskop zur Erfassung multi-axialer Winkelgeschwindigkeiten, bei dem zwei oder mehr Erfassungs­ elemente vorgesehen sind, sind ferner angesteuerte Abschir­ mungen entsprechend einer Mehrzahl von Erfassungselementen aufgebaut, und insbesondere wenn das Ausgangssignal des Addierers durch die Treiberquellen der angesteuerten Ab­ schirmungen erzeugt wird, kann der Verstärkungsfaktor des Addierers 1/(Anzahl der durch den Addierer zu addierenden Signale) betragen.

Claims (4)

1. Vibrationsgyroskop mit folgenden Merkmalen:
einem Vibrator (1) mit einer Mehrzahl von Erfassungs­ elementen (3a, 3b) und einem Treiberelement (3c);
einer Mehrzahl von Verstärkern (4a, 4b) zum Verstärken der Erfassungssignale von den jeweiligen Erfassungs­ elementen (3a, 3b); und
einer Mehrzahl von Verdrahtungen (7a, 7b), die jeweils zwischen die Mehrzahl von Erfassungselementen (3a, 3b) und die Mehrzahl von Verstärkern (4a, 4b) geschaltet sind, wobei die Mehrzahl von Verdrahtungen jeweilige Abschirmungen (8a, 8b) aufweist, die die Verdrahtungen (7a, 7b) umgeben, wobei jede Abschirmung (8a, 8b) mit einem elektrischen Potential, das auf einem Ausgangs­ signal der Verstärker (4a, 4b) basiert, verbunden ist.

2. Vibrationsgyroskop mit folgenden Merkmalen:
einem Vibrator (1) mit einer Mehrzahl von Erfassungs­ elementen (3a, 3b) und einem Treiberelement (3c);
einer Mehrzahl von Verstärkern (4a, 4b) zum Verstärken der Erfassungssignale von den jeweiligen Erfassungs­ elementen (3a, 3b);
einer Mehrzahl von Verdrahtungen (7a, 7b), die jeweils zwischen die Mehrzahl von Erfassungselementen (3a, 3b) und die Mehrzahl von Verstärkern (4a, 4b) geschaltet sind; und
einem Addierer (5) zum Summieren von Ausgangssignalen von der Mehrzahl von Verstärkern (4a, 4b), wobei die Mehrzahl von Verdrahtungen (7a, 7b) jeweilige Abschir­ mungen (8a, 8b) aufweist, die die Verdrahtungen (7a, 7b) umgeben, wobei jede Abschirmung (8a, 8b) mit einem elektrischen Potential, das auf einem Ausgangssignal des Addierers (5) basiert, verbunden ist.

3. Vibrationsgyroskop gemäß Anspruch 2, bei dem der Ad­ dierer (5) die addierten Ausgangssignale um einen Ver­ stärkungsfaktor von "1/Anzahl der addierten Ausgangs­ signale" verstärkt.

4. Vibrationsgyroskop gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Vibrator (1) ein piezoelektrischer Vibrator ist.