DE69900751T2

DE69900751T2 - Kreisel

Info

Publication number: DE69900751T2
Application number: DE69900751T
Authority: DE
Inventors: Christopher Fell; Henry Fox
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: Atlantic Inertial Systems Ltd
Priority date: 1998-03-14
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2019-03-11
Also published as: WO1999047890A1; KR20010041859A; HUP0101205A2; CN1148564C; US6401534B1; CN1292866A; HUP0101205A3; AU743518B2; JP4375818B2; CZ20003337A3; NO20004572D0; AU2739299A; KR100539061B1; AU2739499A; EP1062480B1; KR20010034602A; AU740992B2; GB2335273B; GB2335273A; PL342901A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gyroskop zum Abfühlen der Rate an wenigstens zwei Achsen und vorzugsweise an drei Achsen.
Vibrationsstruktur-Gyroskope können unter Benutzung unterschiedlicher Strukturen als Resonanzelement hergestellt werden. Diese Strukturen umfassen Träger, Stimmgabeln, Zylinder, halbkugelförmige Schalen und Ringe. Eine erfolgreiche kommerzielle Untersuchung ist abhängig von der Optimierung der Arbeitsweise des Gerätes, wobei die Kosten so gering als möglich gehalten werden sollen. Ein zusätzliches Ziel bei gewissen Anwendungen besteht darin, die Größe des Gerätes zu vermindern.
Einige konventionelle Ausbildungen von Vibrationsstruktur-Gyroskopen sind geeignet zur Fabrikation unter Benutzung moderner Mikro-Bearbeitungstechniken. Diese können aus massivem Silizium, aus Polysilizium oder elektroformiertem Metall konstruiert werden. Diese Fabrikationsmethoden sind in der Lage, Miniatur- Gyroskope in großem Umfang mit verminderten Kosten zu erzeugen.
Zahlreiche Anwendungen für Gyroskopgeräte erfordern eine Ratenempfindlichkeit um alle drei Achsen herum. Herkömmliche Vibrationsstrukturkreisel liefern eine Ratenempfindlichkeit um eine einzige Achse, und infolgedessen sind drei Geräte erforderlich, die längs senkrecht aufeinanderstehender Achsen ausgerichtet werden müssen.
Herkömmliche Einachsen-Gyroskope sind beispielsweise beschrieben in "A rate gyroscope based on interaction of sonic waves" von G C Newton Jr, veröffentlicht in IEEE transactions on automatic control, Band AC-10, Nr. 3, Juli 1965, Seiten 235 bis 243. Außerdem sind derartige Gyroskope beschrieben in der GB-A-2154739, EP-A-0461761 und EP-A-0729010. Die in den obigen vier Dokumenten beschriebenen Gyroskope sind sämtlich Einachsengeräte, die nicht in der Lage sind, ein Mehrachsen-Abfühlen zu ermöglichen.
Die Druckschrift unter dem Titel " A rate gyroscope based on interaction of sonic waves" beschreibt eine Einachsen-Gyroskop-Ausbildung mit einer massiven ringförmigen Struktur, wie in Fig. 6 der Veröffentlichung dargestellt, und diese Struktur besitzt vier gerade Trägerarme oder Stäbe, die im Winkelabstand von 90º senkrecht von der unteren ebenen Oberfläche des Rings vorstehen. Die Trägerarme sind an den Knotenpunkten für den benutzten Vibrationsmodus angeordnet, und dies induziert eine Frequenzaufspaltung zwischen den in der Ebene und außerhalb der Ebene angeordneten Modenpaaren, da die Knotenpunkte für einen Modus des Paares Antiknotenpunkte für den komplementaren Modus sind. Demgemäß werden die X-Wellen und die P-Wellen gemäß Fig. 2 und 3 des Dokuments durch die Trägerarme in der Frequenz aufgespalten, und dies verhindert, daß die Struktur als Mehrachsensensor benutzt wird.
Die GB-A-2154739 beschreibt einen piezokeramischen Scheibenaufbau, der in der Ebene befindliche extensionale oder dialationale Moden benutzt, um ein Einachsen- Gyroskop zu schaffen.
Die EP-A-0461761 und die EP-A-0729010 beschreiben beide ein Einachsen- Gyroskop, welches eine ebene Ringstruktur in Form eines ebenen Ringresonators benutzt, der von acht Armen getragen wird. Die Zahl und Periodizität dieser Arme wird so eingestellt, daß eine Anpassung an die Symmetrie der Cos 2θ- Vibrationsmoden erfolgt, die benutzt werden, um die Frequenzen der Primär- und Sekundärmoden so freizugeben, daß sie präzise angepaßt werden. Diese Tragarmstrukturen sind nicht geeignet zur Anpassung der Frequenz anderer in der Ebene oder außerhalb der Ebene befindlichen Vibrationsmodenpaaren, und sie können daher nicht benutzt werden, um ein Gyroskop zu schaffen, welches die Rate an wenigstens zwei Achsen abfühlt.
Die US-A-3206985 beschreibt ein Gerät zum gleichzeitigen Abfühlen der Bewegung eines Körpers um mehrere senkrecht zueinander stehende Achsen. Das Gerät weist eine piezokeramische Toroid- oder Ringstruktur 13 auf, die aus einem ringartigen angetriebenen Glied 14 besteht, das im Inneren des Ringes auf einem elastischen Träger 15 sitzt und außerhalb des Ringes auf einem trägerartigen bimorphischen Sensorelement 27 gelagert ist, das an der äußeren Umfangsoberfläche des Ringes 14 festgelegt ist. Der Ring 14 vibriert in einem Modus der Erstreckungs- oder Atmungstype, wodurch der äußere Durchmesser davon derart moduliert wird, daß dann, wenn die Rate um irgendeine Achse angelegt wird, die Sensorelemente 27 Coriolis-Kräften unterworfen werden, die sie in Resonanzbewegung erregen. Die Signale von diesen Sensorelementen 27 können so interpretiert werden, daß sie eine Ratenempfindlichkeit um drei Achsen herum liefern. Es werden jedoch keine Biegungsvibrationsmoden innerhalb einer einzigen monolithischen Ringstruktur benutzt, um die Rate an wenigstens zwei Achsen abzufühlen.
Es besteht daher ein großer Bedarf nach einem Vibrationsstruktur-Gyroskop mit einer Resonatorausbildung, das in der Lage ist, gleichzeitig ein Abfühlen um drei Achsen herum vorzunehmen. Dann würde ein einziges Gerät drei herkömmliche Einachs-Einheiten ersetzen, was offensichtlich eine Kosteneinsparung ergibt. Außerdem würde dann das langwierige Verfahren der Montage und Ausrichtung von drei Einzelachs-Gyroskopen wegfallen.
Demzufolge besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Gyroskop, das die Rate um wenigstens zwei Achsen abfühlen kann.
Die Erfindung geht aus von einem Gyroskop zum Abfühlen der Rate an wenigstens zwei Achsen mit einem im wesentlichen planaren Vibrationsresonator, der eine im wesentlichen ringförmige oder reifenförmige Struktur mit einem inneren und einem äußeren Umfang aufweist, die sich um eine gemeinsame Achse herum erstrecken und ist dadurch gekennzeichnet, daß Trägermodus-Antriebsmittel vorgesehen sind, um den Resonator in einem Cosn&sub1;Θ ebenengleichen Trägermodus vibrieren zu lassen, wobei n&sub1; ein ganzzahliger Wert von 2 oder mehr ist, daß Stützmittel vorgesehen sind, um den Resonator flexibel abzustützen und diesen gemäß den Trägermodus-Antriebsmitteln relativ zu den Stützmitteln vibrieren zu lassen, daß Trägermodus-Abgreifmittel vorgesehen sind, um eine ebenengleiche Bewegung des Resonators abzufühlen, daß X-Achsen-Ansprech-Modus-Abgreifmittel vorgesehen sind, um eine ebenenverschobene Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators gemäß der Drehung des Gyroskops um die X-Achse herum auszufühlen, wobei n einen Wert von n&sub1;+1 oder n&sub1;-1 hat und Y-Achsen-Ansprech-Modus-Abgreifmittel vorgesehen sind, um eine Sin nΘ ebenenverschobene Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators gemäß der Drehung des Gyroskops um die Y-Achse abzufühlen, wobei n einen Wert von n&sub1;+1 oder n&sub1;-1 hat, identisch jenem Wert für den X-Achsen- Ansprech-Modus.
Vorzugsweise weist das Gyroskop X-Achsen-Ansprech-Modus-Antriebsmittel auf, um die X-Achsen-Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators aufzuheben, damit das Gyroskop in einer erzwungenen Rückführungskonfiguration betrieben werden kann.
Zweckmäßigerweise weist das Gyroskop Y-Achsen-Ansprech-Modus-Antriebsmittel auf, um die Y-Achsen-Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators aufzuheben, damit das Gyroskop in einer erzwungenen Rückführungskonfiguration betrieben werden kann.
Zweckmäßigerweise weisen die Trägermittel zur Abfühlung der Rate um zwei Achsen mehrere flexible Schenkel auf, die den Resonator flexibel mit einer Stütze verbinden, wobei die Zahl der Schenkel NT gegeben ist durch NT = 4n und wobei die Winkeltrennung zwischen den Schenkeln gegeben ist durch 360º/NT.
Vorzugsweise sind zum Abfühlen der Rate um drei Achsen Z-Achsen-Ansprech- Modus-Abgreifmittel vorgesehen zum Abfühlen der ebenengleichen Sin n&sub1;Θ- Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators gemäß der Drehung des Gyroskops um die Z-Achse, wobei n&sub1; ein ganzzahliger Wert von 2 oder mehr ist, identisch jenem für den ebenengleichen Trägermodus.
Zweckmäßigerweise sind Z-Achsen-Ansprech-Modus-Antriebsmittel vorgesehen, um die Z-Achsen-Antriebs-Modus-Bewegung des Resonators aufzuheben, damit das Gyroskop in einer erzwungenen Rückführungskonfiguration betrieben werden kann.
Vorzugsweise weisen die Trägermittel mehrere flexible Schenkel auf, die den Resonator flexibel mit einer Stütze verbinden, wobei die Zahl der Schenkel NT gegeben ist durch NT = 4nn&sub1; und wobei der Winkelabstand zwischen den Schenkeln gegeben ist durch 360º/NT.
Vorzugsweise ist bei einem erfindungsgemäßen Gyroskop zum Abfühlen der Rate um zwei Achsen der Trägermodus ein ebenengleicher Cos2Θ-Modus, wobei die Trägermodus-Antriebsmittel zwei Antriebselemente aufweisen, um die Träger- Modus-Bewegung einzuleiten und diese Antriebselemente an der Stelle 0º bzw. 180º gegenüber einer festen Bezugsachse in der Ebene des Resonators liegen, und wobei die Trägermodus-Abgreifmittel zwei Abgreifelemente an einer Stelle von 90º bzw. 270º gegenüber der festen Bezugsachse aufweisen, um die Trägermodus- Bewegung abzufühlen, wobei der X-Achsen-Ansprech-Modus ein Cos 3Θ-Modus ist und die X-Achsen-Abgreifmittel drei Abgreifelemente aufweisen, die an den Stellen 0º, 120º und 240º gegenüber der festen Bezugsachse liegen, wobei die X-Achsen- Antriebsmittel drei Antriebselemente aufweisen, die bei 60º, 180º bzw. 300º gegenüber der festen Bezugsachse angeordnet sind und wobei der Y-Achsen- Bezugs-Modus ein Sin 3Θ-Modus ist und die Y-Achsen-Abgreifmittel drei Abgreifelemente aufweisen, die bei 30º, 150º und 270º gegenüber der festen Bezugsachse angeordnet sind und wobei die Y-Achsen-Antriebsmittel drei Antriebselemente aufweisen, die bei 90º, 210º und 330º gegenüber der festen Bezugsachse angeordnet sind und die X- und Y-Achsen-Antriebs-und Abgreifelemente derart arbeiten, daß die Ansprech-Modus-Bewegungen festgestellt und aufgehoben werden.
Stattdessen kann der Trägermodus ein ebenengleicher Cos 3Θ-Modus sein und die Trägermodus-Antriebsmittel können drei Antriebselemente aufweisen, die bei 0º, 120º bzw. 240º gegenüber einer festen Bezugsachse in der Ebene des Resonators liegen, wobei die Trägermodus-Abgreifmittel drei Abgreifelemente aufweisen, die bei 60º, 180º bzw. 300º gegenüber der festen Bezugsachse liegen, wobei der X- Achsen-Ansprech-Modus ein Cos 2Θ-Modus ist und die X-Achsen-Abgreifmittel zwei Abgreifelemente aufweisen, die bei 0º und 180º gegenüber der festen Bezugsachse liegen und wobei die X-Achsen-Antriebsmittel zwei Antriebselemente aufweisen, die bei 90º und 270º gegenüber der fsten Bezugsachse liegen und wobei der Y-Achsen- Ansprech-Modus ein Sin 2Θ-Modus ist und die Y-Achsen-Abgreifmittel zwei Abgreifelemente aufweisen, die bei 45º und 225º gegenüber der festen Bezugsachse liegen und wobei die Y-Achsen-Antriebsmittel zwei Antriebselemente aufweisen, die bei 135º und 315º gegenüber der festen Bezugsachse angeordnet sind.
Zweckmäßigerweise ist der Trägermodus ein ebenengleicher Cos 3Θ-Modus und die Trägermodus-Antriebsmittel weisen drei Antriebselemente auf, die bei 0º, 120º und 240º gegenüber einer festen Bezugsachse in der Ebene des Resonators angeordnet sind, wobei die Trägermodus-Abgreifmittel drei Abgreifelemente aufweisen, die bei 60º, 180º und 300º gegenüber der festen Bezugsachse angeordnet sind, wobei der X-Achsen-Ansprech-Modus ein Cos 4Θ-Modus ist und die X-Achsen-Abgreifmittel vier Abgreifelemente aufweisen, die bei 0º, 90º, 180º und 270º gegenüber der festen Bezugsachse liegen und wobei die X-Achsen- Antriebsmittel vier Antriebselemente aufweisen, die bei 45º, 135º, 225º und 315º gegenüber der festen Bezugsachse liegen und wobei der Y-Achsen-Ansprech- Modus ein Sin 4Θ-Modus ist, wobei die Y-Achsen-Abgreifmittel vier Abgreifelemente aufweisen, die bei 22,5º, 112,5º und 292,5º gegenüber der festen Bezugsachse liegen und wobei die Y-Achsen-Antriebsmittel vier Antriebselemente aufweisen, die bei 67,5º, 157,5º, 247,5º und 337,5º gegenüber der festen Bezugsachse liegen.
Vorzugsweise umfaßt das Gyroskop zum Abfühlen der Rate an drei Achsen Z- Achsen-Ansprech-Modus-Abgreifmittel zum Abfühlen einer ebenengleichen Sin 2Θ- Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators, wobei die Z-Achsen-Abgreifmittel zwei Abgreifelemente aufweisen, die bei 45º und 225º gegenüber der festen Bezugsachse angeordnet sind und Z-Achsen-Ansprech-Modus-Antriebsmittel vorgesehen sind, die zwei Antriebselemente aufweisen, welche bei 135º und 315º gegenüber der festen Bezugsachse angeordnet sind.
Vorzugsweise umfaßt ein Gyroskop zum Abfühlen der Rate an drei Achsen Z- Achsen-Ansprech-Modus-Abgreifmittel zum Abfühlen der ebenengleichen Sin 3Θ- Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators, wobei die Z-Achsen-Abgreifmittel drei Abgreifelemente aufweisen, die bei 90º, 210º und 330º gegenüber der festen Bezugsachse angeordnet sind und wobei Z-Achsen-Ansprech-Modus-Antriebsmittel vorgesehen sind, die drei Antriebselemente aufweisen, die bei 30º, 150º und 270º gegenüber der festen Bezugsachse liegen.
Vorzugsweise besteht der Resonator aus Metall, aus Quarz, aus Polysilizium oder massivem Silizium.
Vorteilhafterweise sind die Antriebsmittel und die Abgreifmittel elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische oder optische Mittel.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und zur Erläuterung, wie diese in die Praxis umgesetzt werden kann, wird auf Ausführungsbeispiele verwiesen, die in der beiliegenden Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1a ist eine schematische Ansicht eines Vibrationsstruktur-Gyroskops, welches nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 1b zeigt die drei orthogonalen Achsen entlang derer die Vektoren für Geschwindigkeit, Drehung und Kraft bei dem Gyroskop gemäß Fig. 1a liegen;
Fig. 2a und 2b zeigen graphische Darstellungen der Modenpaare mit Cosn&sub1;Θ und Sinn&sub1; Radialversetzungen für n&sub1; = 2;
Fig. 3a und 3b zeigen graphische Darstellungen ähnlich jenen nach Fig. 2a und 2b für n = 3;
Fig. 4a und 4b zeigen graphische Darstellungen ähnlich den Fig. 2a und 2b und 3a und 3b, aber für n&sub1; = 4;
die Fig. 5a und 5b sind graphische Darstellungen mit drei Achsen für Kraftkomponenten, die durch Drehung eines Gyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung um die Y-Achse erzeugt wurden, und zwar für einen ebenengleichen Cos2Θ-Trägermodus;
Fig. 6a und 6b sind graphische Darstellungen, die jenen nach Fig. 5a und 5b gleichen, die jedoch eine Drehung um die X-Achse repräsentieren;
die Fig. 7a und 7b sind graphische Darstellungen von drei Achsen der Vibrationsmodus-Formen, welche ebenenverschobene CosnΘ und SinnΘ- Versetzungen für n = 1 zeigen;
Fig. 8a und 8b sind graphische Darstellungen ähnlich jenen nach Fig. 7a und 7b, aber für n = 2;
Fig. 9a und 9b sind graphische Darstellungen ähnlich jenen gemäß Fig. 8a und 8b, aber für n = 3;
Fig. 10a und 10b sind graphische Darstellungen ähnlich jenen gemäß Fig. 9a und 9b, aber für n = 4;
Fig. 11a zeigt im Grundriß ein schematisches Beispiel eines Resonator- und Stützschenkels, geeignet zur Benutzung in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Gyroskop;
Fig. 11b zeigt im Grundriß einen weiteren Resonator- und Stützschenkel-Aufbau zur Benutzung in Verbindung mit einem Gyroskop gemäß vorliegender Erfindung;
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Gyroskops gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Antriebs- und Abgreifmittel ersichtlich sind;
Fig. 13 ist ein Diagonalschnitt des Aufbaus nach Fig. 12, worin zusätzliche Einzelheiten dargestellt sind;
Fig. 14 ist eine schematische Grundrißansicht eines Teils eines Gyroskops gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;
Fig. 15 ist eine schematische Grundrißansicht eines Teils eines Gyroskops gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;
Fig. 16 ist eine schematische Grundrißansicht eines Teils eines Gyroskops gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;
Fig. 17 ist eine schematische Grundrißansicht eines Teils eines Gyroskops gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung; und
Fig. 18 ist eine schematische Grundrißansicht eines Teils eines Gyroskops gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung.
Ein gemeinsames Merkmal aller herkömmlichen Vibrationsstruktur-Gyroskope besteht darin, daß sie eine Resonanz-Trägermod-Schwingung beibehalten. Dies liefert ein lineares Moment, das die Coriolis-Kraft Fc erzeugt, wenn das Gyroskop um die entsprechende Achse gedreht wird. Die Größe dieser Kraft ist gegeben durch:
Fc = 2 τ m v ... (1)
wobei t die angelegte Rate, m die Masse und v die lineare Geschwindigkeit ist. Die Vektoren für Geschwindigkeit, Drehung und Kraft liegen auf orthogonalen Achsen, wie in den Fig. 1a und 1b der beiliegenden Zeichnung dargestellt.
Eine der einfachsten Ausführungsformen eines Vibrationsstruktur-Gyroskops weist einen Träger 1 gemäß Fig. 1a auf. Die Trägermod-Vibration ist eine Biegebewegung in der xz-Ebene, wie aus Fig. 1a und 1b ersichtlich. Eine Drehung, die um die Achse des Trägers 1 (z-Achse) angelegt wird, erzeugt Coriolis-Kräfte, die im Träger 1 in eine Bewegung in der yz-Ebene mit der Trägerfrequenz umgesetzt werden. Die Amplitude der Bewegung in dieser Achse ist proportional zu der angelegten Drehrate. Die Empfindlichkeit einer derartigen Vorrichtung kann verbessert werden, indem die Struktur so ausgelegt wird, daß die Coriolis-Kraft direkt einen Resonanzmodus erregt. Die Amplitude der Bewegung wird dann durch das Q des Ansprechmodus verstärkt. Für einen einfachen Träger aus isotropem Material wird dies dadurch erreicht, daß ein Träger mit quadratischem Querschnitt Verwendung findet, wobei die X- und Y-Dimensionen angepaßt sind. Eine Drehung um die Y- Achse erzeugt auch Coriolis-Kräfte in dem Träger 1. Diese wirken über die Länge des Trägers (z-Achse). Der Träger ist extrem steif in dieser Richtung und deshalb unempfindlich gegenüber diesen Kräften. Jedoch ist diese einfache lineare Vibration längs einer einzigen Achse in der Lage, auf Drehungen um zwei Achsen anzusprechen. Die Verwirklichung eines praktischen Gyroskops, das auf diesem Ansprechen basiert, erfordert eine Resonatorausbildung, die die Möglichkeit schafft, daß diese Coriolis-Kraftkomponenten direkt in einen Ansprechmodus längs der jeweiligen Achsen eingekoppelt werden.
Um ein Gyroskop zu erzeugen, das in der Lage ist, eine Rate längs dreier Achsen abzufühlen, muß die Trägermodus-Bewegung eine Geschwindigkeitskomponente längs zweier orthogonaler Achsen aufweisen. Die Struktur muß außerdem derart ausgebildet sein, daß die Coriolis-Kräfte, die als Ergebnis der Drehung um jede Achse eingeführt werden, in die Ansprechmoden eingekoppelt werden, deren Resonanzfrequenz an jene des Trägers angepaßt werden kann. Besonders geeignet für diese Anwendung sind ebene Ringstrukturen, die ebenengleiche Cosn&sub1;Θ- Trägermoden benutzen, wobei Θ die Winkellage um den Ringumfang relativ zu einer festen Bezugslinie ist und wobei n&sub1; einen festen ganzzahligen Wert von 2 oder mehr hat. Der n&sub1; = 1-Modus ist kein geeigneter Träger, da er eine starre Körpertranslation eines Ringresonators ist und demgemäß nur Geschwindigkeitskomponenten längs einer einzigen Achse besitzt.
Bei perfekten Ringresonator-Strukturen existieren die ebenengleichen Cosn&sub1;Θ- Vibrationsmoden als degenerierte Paare unter einem gegenseitigen Winkel von (90/n&sub1;)º. Die Θ = 0º-Bezugsachse R für die Modaldiagramme verläuft längs der Y- Achse in der positiven Richtung. Unter Benutzung dieser festen Bezugsachse haben die Modenpaare Formen, die eine Cosn&sub1;Θ- und Sinn&sub1;Θ-Radialversetzung einnehmen. Die Modenformen für n&sub1; = 2 sind in den Fig. 2a und 2b dargestellt. Die beiden Extreme der maximalen Versetzung aus der unerregten Ringstellung sind während eines einzigen Vibrationszyklus für jeden Modus des Paares dargestellt. Die Achsen zeigen die Versetzung von der unerregten Ringstellung für einen Ring des Radius 1,0 an (willkürliche Einheiten). Die Moden existieren unter einem gegenseitigen Winkel von 45º. Die Modenformen für n&sub1; = 3 sind in gleicher Weise in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Diese existieren unter einem gegenseitigen Winkel von 30º. Die entsprechenden Formen für n&sub1; = 4 - Moden sind in den Fig. 4a und 4b dargestellt, und sie existieren unter einem gegenseitigen Winkel von 22,5º.
Vibrationsstruktur-Gyroskop-Ausbildungen, die Ringstrukturen benutzen und in der Lage sind, eine Rate um eine einzige Achse herum abzufühlen, sind weitgehend bekannt. Diese benutzen eine Mode eines ebenengleichen Cosn&sub1;Θ - Modenpaares (im typischen Fall n&sub1; = 2) als Träger. Die Rotation um die Achse normal zu der Ebene des Rings (z-Achse) koppelt Energie in den zweiten Modus des Paares, wobei die induzierte Amplitude der Bewegung proportional zu der angelegten Rate ist.
Unter Benutzung dieser Trägermoden bewirken diese Rotationen um die Achsen in der Ebene des Rings auch das Auftreten von Coriolis-Kräften. Diese wirken längs der z-Achse und suchen den Ring in eine ebenenverschobene Bewegung einzustellen. Die Verteilung dieser Kräft verändert die Winkellage Θ, und zur Drehung um die Y-Achse wird Ωy gegeben durch:
Fc(Θ) = Fn1+1 ΩySin(n&sub1; + 1)Θ + Fn1+1ΩySin(n&sub1; - 1)Θ ... (2)
Die Parameter Fn&sub1; + 1 und Fn&sub1; - 1 sind Konstante, die von der präzisen Geometrie des Rings und der Trägermittel abhängen und außerdem vom Material und von dem Wert von n&sub1;. Die ebenenverschobene Coriolis-Kraft besitzt demgemäß Komponenten, die sich mit Sin(n&sub1; + 1)Θ und Sin(n&sub1; - 1)Θ ändern. Für den gleichen Trägermodus erzeugt eine Drehung um die X-Achse Coriolis-Kräfte, die gegeben sind durch:
Fc(Θ) = Fn1+1 ΩxCos(n&sub1; + 1)Θ + Fn1+1 Ωy Cos(n&sub1; - 1)Θ ... (3)
Die ebenenverschobene Coriolis-Kraft hat in diesem Fall Komponenten, die sich mit Cos(n&sub1; + 1)Θ und Cos(n&sub1; - 1)Θ ändern. Für den Fall beispielsweise, wo der Träger des Cos2Θ-Modus ebenengleich ist, wie dies in Fig. 2a dargestellt ist, erzeugt eine Drehung um die Y-Achse Kraftkomponenten, die sich mit SinΘ und sin3Θ ändern. Dies ist in den Fig. 5a und 5b dargestellt. Eine Drehung um die X- Achse erzeugt Komponenten, die sich mit CosΘ und cos3Θ ändern. Dies ist in den Fig. 6a und 6b dargestellt.
Die z-Achsen-Versetzung aus den ebenenverschobenen Moden zeigen ebenfalls eine CosnΘ-Winkelabhängigkeit und, wie bei den ebenengleichen Moden, existieren diese als degenerierte Paare mit einem gegenseitigen Winkel von (90/n)º. Diese Modenformen für n = 1 existieren unter einem gegenseitigen Winkel von 90º (d. h. SinΘ- und CosΘ-Radialversetzungen), und dies ist in den Fig. 7a und 7b dargestellt. Wie bei den vorherigen Modal-Diagrammen sind die beiden Extreme der Bewegung dargestellt, wobei der Ring, wie durch die strichlierten Linien angedeutet, in Ruhestellung befindlich ist. Die entsprechenden Aufzeichnungen für die n = 2, 3 und 4-Moden sind in den Fig. 8a, 8b, 9a, 9b, 10a und 10b dargestellt.
Die funktionalen Formen der Coriolis-Kraftkomponenten, wie sie in den Fig. 5a und 6a dargestellt sind, passen sich präzise jenen der ebenenverschobenen n = 1- Moden gemäß Fig. 7a und 7b an. In gleicher Weise passen sich die Formen der Coriolis-Kraftkomponenten, wie sie in den Fig. 5b und 6b dargestellt sind, präzise jenen der ebenenverschobenen n = 3-Moden an, wie dies in den Fig. 9a und 9b dargestellt ist. Natürlich können diese Moden direkt infolge der Drehung erregt werden, die durch die Coriolis-Kräfte induziert werden.
Eine Überprüfung der Gleichungen 2 und 3 lehrt, daß jeder Cosn&sub1;Θ ebenengleicher Trägermodus in ebenenverschobene Cos(n&sub1; + 1)Θ-, Sin(n&sub1; + 1)Θ-, Cos(n&sub1; - 1)- und Sin(n&sub1; - 1)Θ - Moden eingekoppelt werden kann, wenn eine Drehung um die jeweiligen Achsen erfolgt. Um bei jeder Gyroskop-Konfiguration praktisch verwendbar zu sein, muß die Amplitude der erzeugten Bewegung so groß als möglich sein, um die Empfindlichkeit des Gyroskops zu maximieren. Dies wird dadurch erreicht, daß die Modenfrequenzen des Trägers und ein gewähltes Paar von ebenenverschobenen Ansprechmoden angepaßt werden. Die resultierende Bewegung wird demgemäß durch den Q-Wert der Ansprechmoden-Vibration verstärkt. Die ebenengleichen Modenfrequenzen werden durch Änderung der Tiefe (d. h. in z-Achsen-Dimension) des Rings nicht beeinträchtigt. Die ebenenverschobenen Modenfrequenzen sind direkt empfindlich für diesen Parameter und können daher unabhängig eingestellt werden. Durch vernünftige Einstellung der Dimensionen des Ringresonators und der Stützstruktur ist es möglich, die ebenengleiche Cosn&sub1;Θ-Trägerfrequenz entweder mit den ebenenverschobenen Moden Cos(n&sub1; + 1)Θ und Sin(n&sub1; + 1)Θ oder den ebenenverschobenen Moden von Cos(n&sub1; - 1)Θ und Sin(n&sub1; - 1)Θ anzupassen. Es ist daher möglich, Mehrachsen-Gyroskop-Anordnungen unter Benutzung verschiedener Kombination von Trägermoden und Ansprechmoden zu entwerfen.
Der Cos2Θ-Trägermodus kann in die ebenenverschobenen SinΘ-, Cos-Θ, Sin3Θ- und Cos3Θ-Ansprechmoden eingekoppelt werden. Dies ist in den Fig. 7a, 7b bzw. 9a und 9b dargestellt. Die Benutzung des Cos2Θ-Trägers in Kombination mit den Sin3Θ- und Cos3Θ-Ansprechmoden gemäß der Erfindung ist in der Lage, als ein Dreiachsen-Raten-Sensor benutzt zu werden.
Der Resonator in einem Vibrationsstruktur-Gyroskop ist vorzugsweise planar ausgebildet und hat eine ringförmige oder reifenförmige Resonatorstruktur 2 mit einem inneren und einem äußeren Umfang, die sich um eine gemeinsame Achse A erstrecken, die normal zu einer festen Bezugsachse R in der Ebene der Resonatorstruktur 2 verläuft, wobei die Achse R sich in Richtung der Y-Achse erstreckt. Die Ringstruktur wird durch Stützmittel abgestützt, die mehrere elastische Stützschenkel 3 aufweisen. Beim Antrieb in dem Cos2Θ-Trägermodus sind sowohl der Ring als auch die Stützschenkel in Bewegung. Der Ring 2 ist jedoch sehr steif im Vergleich mit den Stützschenkeln 3, und die Trägerfrequenz wird in erster Linie durch die Ringdimensionen bestimmt. Hierdurch wird der Resonator wirksam gegenüber dem Träger isoliert, und es wird die Empfindlichkeit gegenüber der Umgebung vermindert.
Die ebenenverschobenen SinΘ- und CosΘ-Moden (Fig. 7a und 7b) bewirken einen beträchtlichen Ausschlag und eine Beanspruchung in den Stützschenkeln 3 mit einer beträchtlichen Verzerrung des Ringes 2. Infolge der Ausbildung der Schenkel tritt dieser CosΘ-Modus natürlich bei einer beträchtlich niedrigeren Frequenz ein als der Cos2Θ-Träger. Die Sin3Θ- und Cos3Θ-Ansprechmoden (Fig. 9a und 9b) verzerren und beanspruchen den Ring beträchtlich. Diese natürliche Modenfrequenz wird daher beträchtlich höher als jene des CosΘ-Modus. Der Cos2Θ-Träger und die Sin3Θ- und Cos3Θ-Ansprechmodus-Frequenzen können so mit einer wesentlich geringeren Einstellung des Verhältnisses zwischen Schenkelsteifigkeit und Ringsteifigkeit angepaßt werden. Dies unterstützt die Möglichkeit, das Gyroskop in der Umgebung zu belassen.
Wenn die ebenenverschobenen CosΘ-Ansprechmoden benutzt werden, dann übertragen die Schenkel 3 jeweils ein von Null abweichendes Drehmoment auf die Stützstruktur, wenn der Ring 2 um die Eingangs-Rotationsachse schwingt. Im Gegensatz dazu überträgt der ebenenverschobene Sin3Θ- und Cos3Θ- Ansprechmodus nicht irgendeine Reaktionskraft auf den Stützaufbau, wenn eine geeignete Zahl von Schenkeln benutzt wird. Dies gilt für alle CosnΘ-Moden, wenn n > 1 ist.
Praktische Gyroskope gemäß der vorliegenden Erfindung können unter Benutzung von ebenengleichen Trägermoden höherer Ordnung hergestellt werden. Der ebenengleiche Cos3Θ-Modus (Fig. 3b) kann als Träger benutzt werden, entweder in Verbindung mit den ebenenverschobenen Cos2Θ- und Sin2Θ-Ansprechmoden oder in Verbindung mit den ebenenverschobenen Cos4Θ- und Sin4Θ- Ansprechmoden. Diese Ansprechmoden sind in den Fig. 8a, 8b, 10a und 10b dargestellt. Der Cos4Θ-Träger (Fig. 4a) wird in die Sin3Θ-, Cos3Θ-, Sin5Θ- und Cos5Θ-Ansprechmoden eingekoppelt. Entsprechende Kombinationen höherer Ordnung sind ebenfalls möglich. In der Praxis wird es jedoch zunehmend schwieriger, Moden-Kombinationen höherer Ordnung zu benutzen. Die Moden- Formen werden progressive komplexer und erfordern eine größere Zahl diskreter Antriebselemente und Abgreifelemente, um die Vibrationen zu erregen und abzufühlen. Die Trägerschenkel 3 wirken außerdem als punktförmige Sprungmasse, die die Modenfrequenzen stört. Die Zahl und Anordnung dieser Schenkel muß der Moden-Symmetrie angepaßt werden, um eine induzierte Aufspaltung der degenerierten Modenfrequenzen zu vermeiden. Die Zahl der erforderlichen Schenkel steigt schnell mit der Modenordnung an, und demgemäß werden einige Ausbildungen bei einem Gyroskop kleiner Abmessung unzweckmäßig.
Ein Dreiachsen-Gyroskop gemäß der vorliegenden Erfindung kann konstruiert werden, indem eine Kombination von ebenengleichen Sin2Θ- und Cos2Θ-Moden und ebenenverschobenen Sin3Θ- und Cos3Θ-Moden benutzt wird. Dieses Gyroskop erfordert, daß die Frequenzen von vier Moden angepaßt werden (ein Trägermodus plus drei Ansprechmoden). Für einen perfekt symmetrischen Ring 2 gleichförmiger Dicke wird das Sin2Θ- und Cos2Θ-Modenpaar jedoch identische Frequenzen haben. In gleicher Weise werden auch Sin3Θ- und Cos3Θ-Modenpaar angepaßt. Deshalb ist die Konstruktion der Resonatordimensionen infolge des hohen Ausmaßes der Symmetrie in der Praxis reduziert auf eine Anpassung auf nur zwei Frequenzen (d. h. jene der zwei degenerierten Modenpaare). Für die Dimensionen, die gewöhnlich in Ringresonatoren benutzt werden, welche für einen Einachsbetrieb ausgelegt sind, treten natürlich die ebenenverschobenen Cos3Θ- und Cos2Θ- Trägermoden-Frequenzen relativ dicht benachbart in der Frequenz auf. Eine Einstellung der Tiefe (in z-Achsen-Richtung) des Rings ändert nicht die ebenengleichen Frequenzen. Dies hat jedoch eine erhebliche Wirkung auf die ebenenverschobenen Frequenzen. Eine Anpassung der Sin2Θ-, Cos2Θ-, Sin3Θ- und Cos3Θ-Modenfrequenzen kann dadurch erreicht werden, daß eine einzige Ringdimension in geeigneter Weise eingestellt wird.
In Ausdrücken der Modendynamik erscheinen die Stützschenkel 3 als punktförmige Federmassen, die an der Befestigungsstelle wirken, was differentiell die Modenfrequenzen stört. Um eine Frequenzaufspaltung zu vermeiden und die Unbestimmbarkeit der Lage der Moden aufrechtzuerhalten, muß die Zahl und Lage der Schenkel der Moden-Symmetrie angepaßt werden. Für jedes Sinn&sub1;Θ- und Cosn&sub1;Θ-Modenpaar erfordert dies die Benutzung von 4n&sub1; im gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten Schenkeln (wobei n&sub1; gleich 2 oder mehr ist). Die Sin2Θ und Cos2Θ ebenengleichen Moden erfordern demgemäß 8 im gleichen Abstand angeordnete Schenkel. Die Sin3Θ und Cos3Θ ebenenverschobenen Moden erfordern 12 Schenkel, um ihre Unbestimmbarkeit aufrechtzuerhalten. Um diese Forderung gleichzeitig für beide Modenpaare zu erfüllen, müssen 24 Schenkel benutzt werden, die im gleichen Abstand von 15º um den Ring 2 herum angeordnet sind. Diese Zahl ist das kleinste gemeinsame Vielfache der ebenengleichen und ebenenverschobenen Schenkelzahlen und kann für jede Dreiachsen-Gyroskop- Modenkombination aus den folgenden Ausdrücken abgeleitet werden:
Zahl der Schenkel NT = nxn&sub1;x4 ... (4)
Der Winkelabstand dieser Schenkel ist gegeben durch (360/NT)º.
Für planare Ringresonator-Strukturen sind die Stützschenkel 3 derart ausgebildet, daß das modale Verhalten vorherrschend bestimmt wird durch die Ringcharakteristiken. Dies erfordert, daß die Schenkel radial und tangential im Vergleich mit dem Ring selbst nachgiebig sind. Zahlreiche Konstruktionsvarianten sind möglich, die diese Forderungen erfüllen. Die Fig. 11a und 11b zeigen zwei Möglichkeiten für die Struktur eines Ausführungsbeispiels vorliegenden Erfindung mit vierundzwanzig Stützschenkeln. Diese Ausbildungen sind konsistent mit der Benutzung einer größeren Zahl von Stützschenkeln 3.
Vibrationsstruktur-Gyroskope gemäß der Erfindung können unter Benutzung üblicher Fabrikations- und Bearbeitungstechniken hergestellt werden. Sie sind auch geeignet zur Herstellung unter Benutzung der Mikro-Bearbeitungstechnik. Das Prinzip der Arbeitsweise und der Orientierung von Antriebselementen und Abgreifelementen ist identisch unabhängig von der Fabrikation selbst. Der Resonator kann aus irgendeinem Material konstruiert werden, das geeignete mechanische Eigenschaften aufweist, beispielsweise Metall, Quarz, Polysilizium oder massives Silizium. Der Ring 2 kann unter Benutzung verschiedener Antriebsmittel in Schwingungen versetzt werden. Diese Mittel können elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische oder optische Mittel sein. Die Amplitude der Bewegung kann in gleicher Weise unter Benutzung elektrostatischer, elektromagnetischer, piezoelektrischer oder optischer Abgreifmittel abgefühlt werden.
Bei dem bevorzugten Dreiachsen-Gyroskop werden elektrostatische Antriebsmittel und Abgreifmittel benutzt. Die Orientierung der Antriebselemente und der Abgreifelemente bei diesem Ausführungsbeispiel ist in Fig. 12 dargestellt. Die Lage des Rings 2 wird durch die strichlierten Linien angedeutet. Der ebenengleiche Cos2Θ-Trägermodus wird unter Benutzung von Antriebselementen 4 in Schwingungen versetzt, deren wirksame Zentren bei 0º und 180º um den äußeren Umfang des Rings 2 herum gegenüber der festen Bezugsachse R angeordnet sind. Für jedes Element bildet die Oberfläche normal zur Ebene des Rings 2, die auf den Ringumfang weist, eine Platte eines Kondensators zusammen mit dem gegenüberliegenden Segment des Ringumfanges, der die andere Platte formt. Der Ring 2 wird auf einem festen Potential gegenüber dem Antriebselement 4 gehalten. Eine Schwingspannung, die an die Antriebselementplatten mit der Trägermodus- Frequenz angelegt wird, erzeugt eine elektrostatische Kraft, die den Ring 2 in Schwingung versetzt. Die Abgreifelemente 5 für den Trägermodus liegen bei 90º und bei 270º gegenüber der festen Bezugsachse R, und sie bilden in gleicher Weise Kondensatoren mit den gegenüberliegenden Ringsegmenten, und sie werden benutzt, um die Bewegung des Rings 2 abzufühlen, wenn sich der Kondensatorspalt ändert. Die Abgreifelemente 6 liegen bei 45º und 225º gegenüber der Achse R, und sie fühlen die Amplitude des ebenengleichen Sin2Θ-Ansprechmodus, wenn das Gyroskop um die z-Achse gedreht wird. Die Z-Achsen-Antriebselemente 7 liegen bei 135º und 315º gegenüber der Achse R, und sie können benutzt werden, um die Modenbewegung aufzuheben, damit das Gyroskop in einer erzwungenen Rückführkonfiguration betrieben werden kann. Beim Betrieb in diesem Modus ist der Nullantrieb proportional der angelegten Rate. Dieser Betriebsmodus ergibt Vorteile gegenüber einem Modus mit offener Schleife.
Der ebenenverschobene Cos3Θ-Ansprechmodus, der die X-Achsen- Ratenempfindlichkeit liefert, besitzt Antiknoten bei 0º, 60º, 120º, 180º, 240º und 300º gegenüber der Achse R um den Ringumfang herum. Der Sin3Θ-Y-Achsen- Ansprechmodus hat Antiknoten bei 30º, 90º, 150º, 210º, 270º und 330º gegenüber der Achse R. Die Antriebselemente und die Abgreifelemente können in jeder geeigneten Kombination benachbart zu diesen Punkten angeordnet werden. Zweckmäßigerweise sind zwölf plattenartige Elemente direkt unter dem Rand angeordnet, um Kondensatoren zwischen den Platten und den parallelen gegenüberliegenden Segmenten der unteren Oberfläche des Rings zu bilden. Zweckmäßigerweise sollten sich diese Platten über den inneren und den äußeren Rand des Ringrandes erstrecken. Die ebenengleiche Bewegung des Trägermodus ändert daher nicht die wirksame Plattenfläche und wird daher nicht in unzweckmäßiger Weise durch diese plattenartigen Elemente abgefühlt. Die Elemente 8, die bei 0º, 120º und 240º liegen, werden als X-Achsen-Abgreifelemente benutzt. Die Signale von diesen Elementen liegen in Phase und können zweckmäßigerweise summiert werden, um eine erhöhte Empfindlichkeit bei der Abfühlung der Modenbewegung zu erhalten. Plattenartige Elemente 9, die bei 60º, 180º und 300º gegenüber der Achse R liegen, werden als Antriebselemente benutzt, wobei die gleiche Antriebsspannung an all diese Elemente angelegt wird, um die Bewegung stillzusetzen und eine Kraftrückführungs-Operation zu ermöglichen. In gleicher Weise sind plattenartige Elemente 10 bei 30º, bei 150º und bei 270º gegenüber der Achse R angeordnet, und dies sind Y-Achsen-Abgreifelemente, wobei plattenartige Elemente 11 bei 90º, bei 210º und bei 330º gegenüber der Achse R liegen und die Antriebselemente für jenen Modus bilden.
Fig. 13 zeigt einen Querschnitt durch die Mitte des Resonatorrings 2 längs der Y- Achse, und hieraus sind zusätzliche Einzelheiten des Aufbaus der Vorrichtung erkennbar. Die Antriebselemente und die Abgreifelemente für die X-Achse und die Y-Achse sind leitfähige Stellen, die auf der Oberfläche einer elektrisch isolierenden Substratschicht 12 liegen. Diese Elementstellen sind über Leiter an nicht dargestellte Kissen angeschlossen, die elektrisch mit der Steuerschaltung verbunden werden können. Der Ring 2 ist über die Stützschenkel 3 mit einer zentralen Stütze 13 verbunden. Diese Stütze erstreckt sich unter dem Ring 2 und ist starr mit der Substratschicht 12 verbunden, derart, daß der Ring und die Stützschenkel frei über der Substratschicht aufgehängt sind. Die ebenengleichen Moden-Antriebe und die modengleichen Abgreifelemente sind starr am Substrat 12 festgelegt, wobei Verbindungen und Anschlußkissen vorgesehen sind, um Verbindungen mit der Steuerschaltung herstellen zu können.
Modifikationen dieser Struktur sind möglich. Dadurch, daß eine zweite isolierende Substratschicht starr über dem Resonatorring 2 angeordnet wird und indem die ebenenverschobenen Antriebs- und Abgreifelement-Kondensatorplatten verdoppelt werden, kann die Empfindlichkeit des Gyroskops längs der X-Achse und der Y- Achse verbessert werden. Hierdurch würde jedoch der Herstellungsprozeß kompliziert, und die wesentlichen Merkmale oder Funktionen des Gyroskops würden nicht geändert.
Ein Zweiachsen-Gyroskop gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Benutzung des gleichen ebenengleichen Cos2Θ-Trägermodus und des ebenenverschobenen Sin3Θ- und Cos3Θ-Ansprechmodus hergestellt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Resonatorausbildung derart, daß die ebenengleichen Sin2Θ- und Cos2Θ-Modenfrequenzen bewußt getrennt werden. In vorteilhafter Weise fixiert diese Frequenzaufspaltung die Trägermoduslage an einer bekannten Winkelstellung, die auf die Antriebselemente und Abgreifelemente des Trägermodus ausgerichtet sein kann. Die Trägermoden-Frequenz muß noch jener den ebenenverschobenen Ansprechmoden angepaßt werden. Wenn zwölf Trägerschenkel 3 benutzt werden, dann wird die Symmetrie der Cos3Θ-Moden aufrechterhalten. Dies erzeugt jedoch eine Aufspaltung der ebenengleichen Sin2Θ- und Cos2Θ-Moden, und auf diese Weise werden die Modenstellen wie erforderlich fixiert. Allgemein ist für einen Zweiachsen-Gyroskop-Betrieb die erforderliche Zahl von Stützschenkeln durch den folgenden Ausdruck gegeben:
Zahl der Schenkel NT = nx4 ... (5)
Der Winkelabstand beträgt (360/NT)º.
Diese Ausführung liefert nur eine Ratenempfindlichkeit um die X-Achse und die Y- Achse. Die Antriebsmittel und die Abgreifmittel für den ebenengleichen Ansprechmodus werden demgemäß nicht benötigt. Fig. 14 zeigt eine schematische Ansicht einer Gyroskop-Auslegung für ein solches Ausführungsbeispiel. Dieses ist im wesentlichen gleich dem Dreiachsen-Ausführungsbeispiel nach den Fig. 12 und 13 mit dem Unterschied, daß die Antriebselemente 7 und die Abgreifelemente 6 für den ebenengleichen Z-Achsen-Ansprechmodus fehlen und eine unterschiedliche Zahl von Stützschenkeln Verwendung findet. Deshalb sind gleiche Bezugszeichen für entsprechende Teile benutzt worden. Es wird daher keine weitere Beschreibung dieser Teile erfolgen.
Ein Zweiachsen-Gyroskop oder ein Dreiachsen-Gyroskop kann unter Benutzung von ebenengleichen Sin3Θ- und Cos3Θ-Moden in Verbindung mit ebenenverschobenen Sin2Θ- und Cos2Θ-Ansprechmoden hergestellt werden. Für das Dreiachsen- Ausführungsbeispiel muß die Degeneration sowohl der ebenengleichen Sin3Θ- und Cos3Θ- und der ebenenverschobenen Sin2Θ- und Cos2Θ-Modenpaare aufrechterhalten bleiben. Dies erfordert die Benutzung von vierundzwanzig Stützschenkeln 3 am Resonatorring 2. Eine schematische Ansicht der Orientierung der Antriebselemente und der Abgreifelemente ist in Fig. 15 dargestellt. Die Topographie des Gyroskops ist im wesentlichen identisch den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Ausnahme der Auslegung der Antriebs- und Abgreifelemente. Die ebenengleichen Cos3Θ-Träger-Antriebselemente 14 liegen bei 0º, 120º und 240º gegenüber der festen Bezugsachse R, wobei die Abgreifelemente 15 bei 60º, 180º bzw. 300º gegenüber der Achse R liegen. Die ebenengleichen Z- Achsen-Sin3Θ-Ansprechmoden-Antriebselemente 16 liegen bei 30º, bei 150º und bei 270º gegenüber der Achse R, wobei die Abgreifelemente 17 bei 90º, 210º und 330º gegenüber der Achse R liegen. Die ebenenverschobenen Cos2Θ-X-Achsen- Ansprechmoden-Abgreifelemente 18 liegen bei 0º und 180º, wobei die Null- Antriebselemente 19 bei 90º und 270º gegenüber der Achse R liegen. Die ebenenverschobenen Y-Achsen-Sin2Θ-Abgreifelemente 20 liegen bei 45º und 225º gegenüber der Achse R, wobei die Null-Y-Achsen-Antriebselemente 21 bei 135º und 315º gegenüber der Achse R liegen.
Das Zweiachsen-Ausführungsbeispiel dieser Kombination von ebenengleichem Cos3Θ-Trägermodus und ebenenverschobenem Sin2Θ- und Cos2Θ-Ansprechmodus fordern, daß die ebenengleiche Modengeneration aufgehoben wird. Dies geschieht durch die Benutzung von acht Sützschenkeln. Im übrigen unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem Dreiachsen-Ausführungsbeispiel nur durch Wegfall der ebenengleichen Ansprechmoden-Ansprechelemente 16 und der Abgreifelemente 17. Die Auslegung der Antriebsmittel und der Abgreifmittel ist in Fig. 16 dargestellt.
Ein Zweiachsen-Gyroskop oder ein Dreiachsen-Gyroskop gemäß der Erfindung kann unter Benutzung einer Kombination von ebenengleichen Sin3Θ- und Cos3Θ- Moden und ebenenverschobenen Sin4Θ- und Cos4Θ-Moden hergestellt werden. Das Dreiachsen-Ausführungsbeispiel erfordert die Benutzung von achtundvierzig Stützschenkeln 3, um sämtliche notwendige Moden-Symmetrien aufrechtzuerhalten. Dieses Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 17 dargestellt. Der ebenengleiche Cos3Θ-Trägermodus-Antrieb 22 liegt mit seinen Elementen bei 0º, 120º und 240º gegenüber der festen Bezugsachse R, wobei die Abgreifelemente 23 bei 60º, 180º und 300º gegenüber der Achse R liegen. Die ebenengleichen Z- Achsen-Sin3Θ-Ansprechmodus-Antriebselemente 24 liegen bei 30º, 150º und 270º gegenüber der Achse R, wobei die ebenengleichen Z-Achsen-Cos3Θ-Moden- Abgreifelemente 25 bei 90º, bei 210º und bei 300º gegenüber der Achse R liegen.
Die ebenenverschobenen X-Achsen-Cos4Θ-Ansprechmodus-Abgreifelemente 26 liegen bei 0º, bei 90º, bei 180º und bei 270º gegenüber der festen Bezugsachse R, wobei die ebenenverschobenen X-Achsen-Cos4Θ-Ansprechmodus-Null- Antriebselemente 27 bei 45º, 135º, 225º und 315º gegenüber der Achse R liegen. Die ebenenverschobenen Y-Achsen-Sin4Θ-Ansprechmodus-Abgreifelemente 28 liegen bei 22,5º, 112,5º 202,5º und 292,5º gegenüber der Achse R, wobei die ebenenverschobenen Y-Achsen-Sin4Θ-Ansprechmodus-Null-Antriebselemente 29 bei 67,5º, 157,5º, 247,5º und 337,5º gegenüber der Achse R liegen.
Das entsprechende Zweiachsen-Gyroskop-Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung erfordert sechzehn Stützschenkel 3. Die Auslegung für dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 18 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel ist ansonsten identisch zu dem Dreiachsen-Ausführungsbeispiel nach Fig. 17 mit der Ausnahme, daß die ebenengleichen Z-Achsen-Ansprechmodus-Antriebselemente 24 und die Abgreifelemente 25 wegfallen. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 17 bezeichnet und werden deshalb nicht nochmals beschrieben.
Die Zweiachsen- und die Dreiachsen-Ratensensoren können unter Benutzung von ebenengleichen und ebenenverschobenen Moden-Kombinationen höherer Ordnung hergestellt werden. Dies erfordert progressiv eine höhere Zahl von Stützschenkeln, um die notwendigen Moden-Symmetrien aufrechtzuerhalten, und es muß eine größere Zahl von Antriebselementen und Abgreifelementen vorgesehen werden. Infolgedessen werden diese Ausführungsbeispiele, obgleich sie verwirklicht werden können, progressiv immer komplizierter herzustellen, insbesondere in Form eines klein bemessenen Gyroskops.
Außerdem sind bei einem Gyroskop gemäß der Erfindung zum Abfühlen der Rate an zwei Achsen der Resonator 2 und die Stützmittel so dimensioniert, daß der ebenengleiche Cosn&sub1;Θ-Trägermodus und der ebenenverschobene SinnΘ- und CosnΘ-Ansprechmodus-Frequenzen angepaßt werden, um eine Rate um drei Achsen abfühlen zu können, wobei die Dimensionen derart sind, daß der ebenengleiche Cosn&sub1;Θ-Trägermodus und der ebenengleiche Sinn&sub1;Θ-Ansprechmodus und die ebenenverschobenen SinnΘ- und CosnΘ-Ansprechmoden-Frequenzen angepaßt sind.

Claims

1. Gyroskop zum Abfühlen der Rate an wenigstens zwei Achsen mit einem im wesentlichen planaren Vibrationsresonator (2), der eine im wesentlichen ringförmige oder reifenförmige Struktur mit einem inneren und einem äußeren Umfang aufweist, die sich um eine gemeinsame Achse herum erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß Trägermodus-Antriebsmittel (4, 14, 22) vorgesehen sind, um den Resonator (2) in einem Cosn&sub1;Θ ebenengleichen Trägermodus vibrieren zu lassen, wobei n&sub1; ein ganzzahliger Wert von 2 oder mehr ist, daß Stützmittel (3) vorgesehen sind, um den Resonator (2) flexibel abzustützen und diesen gemäß den Trägermodus-Antriebsmitteln (4, 14, 22) relativ zu den Stützmitteln (3) vibrieren zu lassen, daß Trägermodus-Abgreifmittel (5, 15, 23) vorgesehen sind, um eine ebenengleiche Bewegung des Resonators (2) abzufühlen, daß X-Achsen-Ansprech-Modus-Abgreifmittel (8, 18, 26) vorgesehen sind, um eine ebenenverschobene Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators (2) gemäß der Drehung des Gyroskops um die X-Achse herum auszufühlen, wobei n einen Wert von n&sub1;+1 oder n&sub1;-1 hat und X-Achsen-Ansprech-Modus-Abgreifmittel (10, 20, 28) vorgesehen sind, um eine Sin nΘ ebenenverschobene Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators (2) gemäß der Drehung des Gyroskops um die Y-Achse abzufühlen, wobei n einen Wert von n&sub1;+1 oder n&sub1;-1 hat, identisch jenem Wert für den X-Achsen-Ansprech-Modus.

2. Gyroskop nach Anspruch 1, welches X-Achsen-Ansprech-Modus- Antriebsmittel (9, 19, 27) aufweist, um die X-Achsen-Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators (2) aufzuheben, damit das Gyroskop in einer erzwungenen Rückführungskonfiguration betrieben werden kann.

3. Gyroskop nach den Ansprüchen 1 oder 2, welches Y-Achsen-Ansprech- Modus-Antriebsmittel (11, 21, 29) aufweist, um die Y-Achsen-Ansprech-Modus- Bewegung des Resonators (2) aufzuheben, damit das Gyroskop in einer erzwungenen Rückführungskonfiguration betrieben werden kann.

4. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem zum Abfühlen der Rate an zwei Achsen die Stützmittel mehrere flexible Schenkel (3) aufweisen, die den Resonator (2) flexibel mit einer Stütze (13) verbinden, wobei die Zahl der Schenkel (NT) gegeben ist durch NT = 4n und wobei der Winkelabstand zwischen den Schenkeln (3) gegeben ist durch 360º/NT.

5. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem zum Abfühlen der Rate an drei Achsen Z-Achsen-Ansprech-Modus-Abgreifmittel (6, 17, 25) vorgesehen sind zum Abfühlen der Sin n&sub1;Θ ebenengleichen Ansprech-Modus- Bewegung des Resonators (2) gemäß der Drehung des Gyroskops um die Z-Achse, wobei n&sub1; ein ganzzahliger Wert von 2 oder mehr ist, identisch jenem für den ebenengleichen Trägermodus.

6. Gyroskop nach Anspruch 5, welches Z-Achsen-Ansprech-Modus- Antriebsmittel (7, 16, 24) aufweist, um die Z-Achsen-Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators (2) aufzuheben, damit das Gyroskop in einer erzwungenen Rückführungskonfiguration betrieben werden kann.

7. Gyroskop nach den Ansprüchen 5 oder 6, bei welchem die Stützmittel mehrere flexible Schenkel (3) aufweisen, die den Resonator flexibel mit einer Stütze (13) verbinden, wobei die Zahl der Schenkel NT gegeben ist durch NT = 4nn&sub1; und wobei der Winkelabstand zwischen den Schenkeln (3) gegeben ist durch 360º/NT.

8. Gyroskop nach Anspruch 2, nach Anspruch 3 oder nach Anspruch 4 in Abhängigkeit von den Ansprüchen 2 oder 3 zum Abfühlen der Rate an zwei Achsen, wobei der Trägermodus ein Cos 2Θ ebenengleicher Modus ist und die Trägermodus-Antriebsmittel zwei Antriebselemente (4) aufweisen, um die Trägermodus-Bewegung einzuleiten und diese Antriebselemente (4) an der Stelle 0º bzw. 180º gegenüber einer festen Bezugsachse (R) in der Ebene des Resonators (2) liegen und wobei die Trägermodus-Abgreifmittel zwei Abgreifelemente (5) an einer Stelle von 90º bzw. 270º gegenüber der festen Bezugsachse (R) aufweisen, um die Trägermodus-Bewegung abzufühlen, wobei der X-Achsen-Ansprech-Modus ein Cos 3Θ-Modus ist und die X-Achsen-Abgreifmittel drei Abgreifelemente (8) aufweisen, die an den Stellen 0º, 120º und 240º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen, wobei die X-Achsen-Antriebsmittel drei Antriebselemente (9) aufweisen, die bei 60º, 180º bzw. 300º gegenüber der festen Bezugsachse (R) angeordnet sind und wobei der Y-Achsen-Bezugs-Modus ein Sin 3Θ-Modus ist und die Y-Achsen- Abgreifmittel drei Abgreifelemente (10) aufweisen, die bei 30º, 150º und 270º gegenüber der festen Bezugsachse (R) angeordnet sind und wobei die Y-Achsen- Antriebsmittel drei Antriebselemente (11) aufweisen, die bei 90º, 210º und 330º gegenüber der festen Bezugsachse angeordnet sind und die X- und Y-Achsen- Antriebs- und Abgreifelemente (8, 9, 10, 11) derart arbeiten, daß die Ansprech- Modus-Bewegungen festgestellt und aufgehoben werden.

9. Gyroskop nach Anspruch 2, Anspruch 3 oder Anspruch 4 in Abhängigkeit von den Ansprüchen 2 oder 3, wobei der Trägermodus ein ebenengleicher Cos 30- Modus ist und die Trägermodus-Antriebsmittel drei Antriebselemente (14) aufweisen, die bei 0º, 120º bzw. 240º gegenüber einer festen Bezugsachse in der Ebene des Resonators (2) liegen, wobei die Trägermodus-Abgreifmittel drei Abgreifelemente (15) aufweisen, die bei 60º, 180º und 300º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen, wobei der X-Achsen-Ansprech-Modus ein Cos 2Θ-Modus ist und die X- Achsen-Abgreifmittel zwei Abgreifelemente (18) aufweisen, die bei 0º und 180º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen und wobei die X-Achsen- Antriebsmittel zwei Antriebselemente (19) aufweisen, die bei 90º und 270º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen und wobei der Y-Achsen-Ansprech- Modus ein Sin 2Θ-Modus ist und die Y-Achsen-Abgreifmittel zwei Abgreifelemente (20) aufweisen, die bei 45º und 225º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen und wobei die Y-Achsen-Antriebsmittel zwei Antriebselemente (21) aufweisen, die bei 135º und 315º gegenüber der festen Bezugsachse (R) angeordnet sind.

10. Gyroskop nach Anspruch 2, Anspruch 3 oder Anspruch 4 in Abhängigkeit von den Ansprüchen 2 oder 3, bei welchem der Trägermodus ein ebenengleicher Cos 3Θ-Modus ist und die Trägermodus-Antriebsmittel drei Antriebselemente (22) aufweisen, die bei 0º, 120º und 240º gegenüber einer festen Bezugsachse (R) in der Ebene des Resonators (2) angeordnet sind, wobei die Trägermodus-Abgreifmittel drei Abgreifelemente (23) aufweisen, die bei 60º, 180º und 300º gegenüber der festen Bezugsachse (R) angeordnet sind, wobei der X-Achsen-Ansprech-Modus ein Cos 4Θ-Modus ist und die X-Achsen-Abgreifmittel vier Abgreifelemente (26) aufweisen, die bei 0º, 90º,180º und 270º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen und wobei die X-Achsen-Antriebsmittel vier Antriebselemente (27) aufweisen, die bei 45º, 135º, 225º und 315º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen und wobei der Y-Achsen-Ansprech-Modus ein Sin 4Θ-Modus ist, wobei die Y-Achsen- Abgreifmittel vier Abgreifelemente (28) aufweisen, die bei 22,5º, 112,5º und 292,5º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen und wobei die Y-Achsen- Antriebsmittel vier Antriebselemente (29) aufweisen, die bei 67,5º, 157,5º, 247,5º und 337,5º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen.

11. Gyroskop nach Anspruch 8 zum Abfühlen der Rate an drei Achsen, bei welchem Z-Achsen-Ansprech-Modus-Abgreifmittel vorgesehen sind zum Abfühlen einer ebenengleichen Sin 2Θ-Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators (2), wobei die Z-Achsen-Abgreifmittel zwei Abgreifelemente (6) aufweisen, die bei 45º und 225º gegenüber der festen Bezugsachse (R) angeordnet sind und Z-Achsen- Ansprech-Modus-Antriebsmittel vorgesehen sind, die zwei Antriebselemente (7) aufweisen, welche bei 135º und 315º gegenüber der festen Bezugsachse (R) angeordnet sind.

12. Gyroskop nach den Ansprüchen 9 oder 10 zum Abfühlen der Rate an drei Achsen, welches Z-Achsen-Ansprech-Modus-Abgreifmittel aufweist zum Abfühlen der ebenengleichen Sin 3Θ-Ansprech-Modus-Bewegung des Resonators, wobei die Z-Achsen-Abgreifmittel drei Abgreifelemente (17) aufweisen, die bei 90º, 210º und 330º gegenüber der festen Bezugsachse (R) angeordnet sind und wobei Z-Achsen- Ansprech-Modus-Antriebsmittel vorgesehen sind, die drei Antriebselemente (16) aufweisen, die bei 30º, 150º und 270º gegenüber der festen Bezugsachse (R) liegen.

13. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem der Resonator (2) aus Metall, aus Quarz, aus Polysilizium oder aus massivem Silizium hergestellt ist.

14. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem die Antriebsmittel (4) und die Abgreifmittel elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische oder optische Mittel sind.