專利名稱：振動陀螺速度傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于感應在三軸上施加速度的速度傳感器。
背景技術(shù)：
Coriolis速度傳感器中使用平面環(huán)形共振器是眾所周知的。GB2318184B公開了使用這樣的共振器以便獲得繞三個正交軸的速度敏感度。
GB2318184B所公開的裝置使用了一對如圖1A和1B所示的平面內(nèi)cos2θ/sin2θ振動模式、并結(jié)合一對如圖2A和2B所示的平面外退化sinθ/cos2θ(擺動)振動模式。所述平面內(nèi)cos2θ模式作為通常保持在固定振動振幅的第一(主要)載體模式。當裝置繞垂直于環(huán)平面的軸(Z軸)轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生Coriolis力，所述Coriolis力將能量耦合到互補的平面內(nèi)sin2θ響應模式中。當所述裝置繞環(huán)平面內(nèi)的y軸轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生將能量耦合到平面外cosθ響應模式中的Coriolis力。當所述裝置繞環(huán)平面內(nèi)的x軸轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生將能量耦合到平面外sinθ響應模式中的Coriolis力。產(chǎn)生響應模式運動的振幅直接正比于圍繞合適輸入軸施加的轉(zhuǎn)動速度。
對于前述裝置，要求載體模式和三個響應模式頻率名義上相同。由于具有精確匹配的頻率，響應模式振動的振幅就被所述結(jié)構(gòu)的機械質(zhì)量因子Q倍放大。這就不可避免地要求結(jié)構(gòu)公差更加嚴格。實踐中，可能有必要在合適位置通過增加或去除材料來精確調(diào)節(jié)振動結(jié)構(gòu)或共振器的平衡。這就調(diào)節(jié)了用于各模式的質(zhì)量參數(shù)或剛度，從而細微地改變了模式頻率。當這些頻率不相匹配時，就不產(chǎn)生Q放大，同時敏感元件必需要被制得足夠敏感以提供滿意的陀螺儀性能。
對于由沿徑向各向同性的材料制成的無支承的完美環(huán)形結(jié)構(gòu)來說，任何一對給定的平面內(nèi)或平面外sinNθ/cosNθ模式對于任何值N將具有相同的頻率。但由于需要用于支承環(huán)的支柱結(jié)構(gòu)，這種簡單情況可能會受到干擾。在現(xiàn)有技術(shù)的三軸速度傳感器設計中，對于合理構(gòu)造的支柱，支柱的數(shù)量和設置應是這樣的，即其可保持平面內(nèi)cos2θ/sin2θ和平面外sinθ/cosθ模式的對稱。這種對稱已經(jīng)通過使用八個以45°角間隔設置的相同支柱獲得。圖3示出了所述這種設置。在該設置中，中央凸臺20形成在支承框架10上。支柱9在中央凸臺20和共振器5內(nèi)圓周6之間延伸。值得注意的是，圖3中支柱的線性部分9′和9″的相對長度有所不同，這是可由本領域技術(shù)人員理解的普通設計變化中的一部分。也可以理解的是，在圖3中設置所述中央凸臺20同樣是共振器5的徑向外部支承的一種公知替換方案。不管使用多少的支柱，所述這些設置是可互換。共振器尺寸的設置為使平面內(nèi)cos2θ/sin2θ模式對的頻率和平面外sinθ/cosθ模式對的頻率相匹配。
所述支柱結(jié)構(gòu)用來懸掛所述環(huán)形結(jié)構(gòu)但也允許環(huán)形結(jié)構(gòu)以基本無阻尼振動地擺動。當在平面內(nèi)和平面外振動時，支柱的總剛度必須明顯地小于環(huán)自身的剛度，從而使得模式振動由環(huán)形結(jié)構(gòu)控制。為獲得所需的柔性比，所述支柱需要比所述環(huán)的邊緣寬度薄得多。對于這些裝置，支柱的徑向和切向剛度必須明顯小于環(huán)自身的剛度，從而使得模式振動由環(huán)形結(jié)構(gòu)控制。所述平面內(nèi)徑向剛度主要由支柱的拱形部分9的長度決定。支柱的直線(線性)部分9′和9″控制了平面內(nèi)切向剛度。平面外剛度主要由支柱結(jié)構(gòu)的總長度決定。由于支柱結(jié)構(gòu)的弧角受到臨近的相鄰支柱的限制，為實現(xiàn)所述支柱的設計、特別是獲得以上所述的徑向剛度，維持環(huán)與支柱的柔性比變得愈加困難。這就需要對支柱的機械設計有更多的限制，并且要求必須使用相對環(huán)邊緣而言很薄(在環(huán)的平面中)的支柱結(jié)構(gòu)。這種尺寸的減小使所述結(jié)構(gòu)更易在機械結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過程中受到尺寸公差的影響。這將導致所述支柱元件的質(zhì)量和剛度的變化，從而會干擾模式動態(tài)特性的對稱性，并因此會產(chǎn)生平面內(nèi)和平面外模式對的不期望的分頻。
現(xiàn)有技術(shù)中所述的結(jié)構(gòu)可以通過許多工藝、由各種材料制成。當這些裝置由金屬制造時，可以使用線腐蝕技術(shù)以傳統(tǒng)工藝、高精確度地機加工所述裝置，以獲得所需的精確尺寸公差。這種工藝涉及在每個支柱的邊緣周圍以及環(huán)形結(jié)構(gòu)周圍順序地將材料切割下來。從而，機加工時間和生產(chǎn)成本相對支柱的數(shù)量成比例地增加。因此，使支柱的數(shù)量最小化是非常有益的。類似的考慮同樣適用于利用替代工藝由其他材料制成的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
希望能設計出平面環(huán)形結(jié)構(gòu)。其中平面環(huán)形結(jié)構(gòu)，與具有相對較多支柱的現(xiàn)有技術(shù)設置相比，在更大程度上需要的支柱數(shù)量減少了，而沒有影響環(huán)形結(jié)構(gòu)的振動。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供有一種三軸速度傳感器，所述三軸速度傳感器，包括具有基本環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)的基本上平面振動共振器，所述環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)具有繞一共同軸線延伸的內(nèi)圓周和外圓周；用于使所述共振器以Cos2θ振動模式振動的驅(qū)動裝置；用于感應所述共振器響應于所述驅(qū)動裝置的運動的載體模式敏感元件裝置；用于檢測所述共振器響應于繞z軸轉(zhuǎn)動的運動的z軸響應模式敏感元件裝置；用于使所述運動指零(nulling)的z軸響應模式驅(qū)動裝置；用于檢測所述共振器響應于繞x軸轉(zhuǎn)動的運動的x軸響應模式敏感元件裝置；用于使所述運動指零的x軸響應模式驅(qū)動裝置；用于檢測所述共振器響應于繞y軸轉(zhuǎn)動的運動的y軸響應模式敏感元件裝置；用于使所述運動指零的y軸響應模式驅(qū)動裝置；以及一支承裝置，用于柔性支承所述共振器、并且允許所述共振器響應于驅(qū)動裝置和所施加的轉(zhuǎn)動、相對于該支承裝置振動，其中所述支承裝置僅包括L個支承桿，其中L≠2k且K＝0，1，2，或3。例如，可以是三個、五個、六個或七個支承桿。
優(yōu)選地，為簡化制造過程，設置有可少于八個的支承桿。
每一個支承桿可包括從拱形部分的相對兩端延伸的第一和第二線性部分。
在該實施方案中，所述支承桿基本上等角間隔設置。
為方便，所述支承裝置包括具有凸臺的底座，所述基本環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓周通過所述支承桿連接到所述凸臺上，所述支承桿從所述環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓周延伸到所述凸臺上，從而使環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)與底座間隔開。
在該實施方案中，支承桿的總剛度小于環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)的剛度。
通過對環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)動態(tài)特性、包括支柱運動的影響的詳細分析，已經(jīng)獲得如上所述的公式。本發(fā)明可提供改善的設計靈活性，以便允許更大的支柱柔性(相對環(huán)形結(jié)構(gòu)而言)，同時應用更大的支柱尺寸(在環(huán)平面內(nèi))。這種設計可減少對尺寸公差影響的敏感度，且可允許更經(jīng)濟地制造。


為更好地理解本發(fā)明以及說明本發(fā)明的實施方式，現(xiàn)結(jié)合附圖并通過示例進行說明，，其中圖1A和1B示出了對稱共振器或振動結(jié)構(gòu)中一對平面內(nèi)cos2θ/sin2θ的振動模式；圖2A和2B示出了對稱共振器或振動結(jié)構(gòu)中作為響應模式的一對平面外退化cos2θ/sin2θ(搖擺)振動模式；圖3示出了適用于根據(jù)本發(fā)明的三軸速度傳感器的傳統(tǒng)振動結(jié)構(gòu)或共振器的平面圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的三軸速度傳感器的平面圖；圖5是圖4中結(jié)構(gòu)的端面視圖的詳圖；圖6A示出對稱共振器或振動結(jié)構(gòu)中作為載體模式的cos2θ振動模式；圖6B是相對圖6A以45°角間隔設置、但用作響應模式的另一個sin2θ模式的示意圖；圖7A和7B示出了對稱共振器或振動結(jié)構(gòu)中作為載體模式的一對平面外退化sinθ/cosθ(搖擺)振動模式；以及圖8A、8B和8C是各自具有三個、五個、和六個支柱的適于三軸陀螺儀使用的振動結(jié)構(gòu)的平面圖。
具體實施例方式
圖4示出了用于在三軸上感應所施加速度的傳感器的平面圖。這種傳感器僅通過實施例的方式公開，應該理解的是根據(jù)本發(fā)明也可使用其他設置。
如前所述，振動結(jié)構(gòu)5具有基本為平面且基本環(huán)形的形狀，具有外邊緣7、支柱9和中央凸臺20。所述結(jié)構(gòu)5通過凸臺20座落于一絕緣基板層21上，該絕緣基板層21可由具有絕緣氧化物表面層的玻璃或硅制成。所述振動結(jié)構(gòu)5相對用作驅(qū)動和敏感元件的所有導體被保持在固定電壓。
圖4中用于使所述硅振動結(jié)構(gòu)5以cos2θ載體模式振動的裝置，包括兩個靜電載體驅(qū)動元件22和兩個靜電載體模式敏感元件23。當以cos2θ模式振動時，所述兩個靜電載體驅(qū)動元件22和兩個靜電載體模式敏感元件23相對振動結(jié)構(gòu)5的外邊緣7分別位于0°和180°的位置和位于90°和270°的位置；并且位于靠近外邊緣7最大徑向運動點的所述外邊緣7的徑向外部。使用所述這些載體模式驅(qū)動元件22將振動結(jié)構(gòu)5設置為振蕩。位于載體模式反節(jié)點(carrier modeanti-nodal points)位置上的所述載體模式敏感元件23感應所述振動結(jié)構(gòu)5的徑向運動。
驅(qū)動元件可以是由電磁、靜電、壓電、熱或光驅(qū)動，所述振動結(jié)構(gòu)5的運動可以通過使用靜電技術(shù)、電磁技術(shù)、壓電技術(shù)或光技術(shù)來進行檢測。
用于檢測搖擺模式振動的裝置，包括x軸靜電驅(qū)動元件24、x軸靜電敏感元件25、y軸靜電驅(qū)動元件26以及y軸靜電敏感元件27，它們以彼此垂直的間隔彼此重疊地位于外邊緣7附近，其中所述y軸驅(qū)動元件26、x軸元件25、y軸敏感元件27、以及x軸驅(qū)動元件24分別位于圍繞外邊緣7的0°、90°、180°和270°的位置上。
所述用于使振動結(jié)構(gòu)5振動的裝置，還包括兩個靜電z軸響應模式驅(qū)動元件30和兩個靜電z軸響應模式敏感元件31，當以響應模式振動時，以上元件30、31處于振動結(jié)構(gòu)5外邊緣7的平面內(nèi)，并位于所述振動結(jié)構(gòu)徑向外部、靠近外邊緣7的最大徑向運動點的位置。所述第一z軸響應模式驅(qū)動元件30、第一z軸響應模式敏感元件31、以及第二z軸響應模式驅(qū)動元件30、第二z軸響應模式敏感元件31分別位于圍繞振動結(jié)構(gòu)5的外邊緣7的45°、135°、225°和315°的位置上。
所述x軸速度響應模式的搖擺運動由位于外邊緣7下方的支承基板表面上的敏感元件25檢測。類似地，通過位于外邊緣7另一側(cè)下方的x軸驅(qū)動元件24使該運動指零。類似地，所述y軸速度響應運動由敏感元件27檢測，并被驅(qū)動元件26指零。各種驅(qū)動和敏感元件的傳導位置通過設在基板層表面21上的軌線32連接到結(jié)合襯墊33上。隨后將所述驅(qū)動和敏感元件電路連接到所述結(jié)合襯墊上。所述z軸速度響應模式運動由所述敏感元件31檢測。圖5示出了圖4中傳感器的截面圖。這就更清楚的示出了所述平面內(nèi)和導體表面的設計構(gòu)圖。
對于一個三軸陀螺儀，使用了一對如圖6A和6B所示的平面內(nèi)cos2θ/sin2θ振動模式以及如圖7A和7B所示的一對退化平面外sinθ/cosθ(搖擺)振動模式。所述平面內(nèi)cos2θ模式用作通常被維持在固定振動振幅的第一(主要)載體模式。當這種裝置繞垂直于環(huán)平面的軸(z軸)轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生Coriolis力，該Coriolis力將能量耦合到互補的平面內(nèi)sin2θ響應模式中。當所述裝置繞環(huán)平面內(nèi)的y軸轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生將能量耦合到平面外cos2θ響應模式中的Coriolis力。當所述裝置繞環(huán)平面的x軸轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生將能量耦合到平面外sin2θ響應模式中的Coriolis力。所產(chǎn)生的響應模式運動的振幅直接正比于圍繞所述合適的輸入軸施加的轉(zhuǎn)動速度。
針對環(huán)形結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性、包括支柱運動的影響的詳細分析，已經(jīng)使提出簡單易行的公式成為可能，該公式在大致均勻分隔放置并為維持與理想的振動模式對相匹配的頻率所需的支柱數(shù)量方面，規(guī)定了可行的選擇范圍。
所述分析指出，對支柱數(shù)量的要求與以前所公開的要求相比更加不受限制。已經(jīng)得出一個簡單的公式，用來指出針對給定數(shù)量并且均勻分隔設置的支柱，哪一個模式會產(chǎn)生分頻。這些公式適用于平面內(nèi)和平面外模式，并在L＞2時有效。如果L≤2，則所有模式都被分頻。對于偶數(shù)數(shù)量的支柱L，階次(等級)模式N的分頻僅僅在下述條件滿足時產(chǎn)生N＝LK/2其中K是整數(shù)。當K＝1時，產(chǎn)生最大分頻，并且隨著K的增加而減小。如果支柱的數(shù)量L為奇數(shù)，那么僅僅當N＝LK時產(chǎn)生分頻。
K＝1時再次產(chǎn)生最大分頻，并隨著K值的增加而減小。
將這些一般原則應用到現(xiàn)有技術(shù)中的三軸設計中，表明支柱的數(shù)量無需被限制為八個。也可以構(gòu)造成符合下述公式的給定支柱數(shù)量的平面環(huán)形結(jié)構(gòu)共振器L≠NK其中N為模式等級(Cos2θ模式時＝2)，K是值為0，1，2或3的整數(shù)。所述支柱應等角間隔開。
可被利用的支柱結(jié)構(gòu)例如圖8A、8B和8C所示由以120°間隔放置的三個支柱構(gòu)成、以72°間隔放置的五個支柱構(gòu)成、以60°間隔放置的六個支柱構(gòu)成、以及以51.4°間隔放置的七個支柱構(gòu)成等，該支柱結(jié)構(gòu)確保了在平面內(nèi)cos2θ/sin2θ模式和平面外cosθ/sinθ模式之間的所需模式頻率匹配。盡管設有八個或更多的支柱可確保更佳的頻率匹配，但是考慮到前述原因，設有七個以上的支柱是不利的。
在所有的共振器設計中，支柱的結(jié)合剛度要小于環(huán)形結(jié)構(gòu)的剛度。這就確保了模式振動由環(huán)形結(jié)構(gòu)控制，并有助于共振器免受通過凸臺20耦合到結(jié)構(gòu)的熱感應應力的影響，因為所述熱感應應力會不利地影響到結(jié)構(gòu)的性能。當應用較少的支柱時，所需的支柱與環(huán)之間的柔性比可通過使用具有增加寬度的更長支柱結(jié)構(gòu)來維持。這就使這些結(jié)構(gòu)不易于受到制造過程中的尺寸公差誤差的影響。這種誤差導致在cos2θ/sin2θ模式和cosθ/sinθ模式對之間的分頻，這對傳感器性能是有害的。這就通常要求使用機械修整工藝，以便獲得所需的性能標準。因此，考慮到成本和制造時間，極其希望減少對這種機械修整工藝的需要。
權(quán)利要求
1.一種三軸速度傳感器，包括具有基本環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)的基本上平面振動共振器，所述環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)具有繞一共同軸線延伸的內(nèi)圓周和外圓周；用于使所述共振器以Cos2θ振動模式振動的驅(qū)動裝置；用于感應所述共振器響應于所述驅(qū)動裝置的運動的載體模式敏感元件裝置；用于檢測所述共振器響應于繞z軸轉(zhuǎn)動的運動的z軸響應模式敏感元件裝置；用于使所述運動指零的z軸響應模式驅(qū)動裝置；用于檢測所述共振器響應于繞x軸轉(zhuǎn)動的運動的x軸響應模式敏感元件裝置；用于使所述運動指零的x軸響應模式驅(qū)動裝置；用于檢測所述共振器響應于繞y軸轉(zhuǎn)動的運動的y軸響應模式敏感元件裝置；用于使所述運動指零的y軸響應模式驅(qū)動裝置；以及一支承裝置，用于柔性支承所述共振器、并且允許所述共振器響應于驅(qū)動裝置和所施加的轉(zhuǎn)動、相對于該支承裝置振動，其中所述支承裝置僅包括L個支承桿，其中L≠2k且K＝0，1，2，或3。
2.如權(quán)利要求1所述的速度傳感器，其特征在于，L＜8。
3.如權(quán)利要求1或2所述的速度傳感器，其特征在于，每一個支承桿包括從一拱形部分的相對兩端延伸的第一和第二線性部分。
4.如前述權(quán)利要求中任一個所述的速度傳感器，其特征在于，所述支承桿基本上等角間隔開。
5.如前述權(quán)利要求中任一個所述的速度傳感器，其特征在于，所述支承裝置包括具有凸臺的底座，所述基本環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓周通過所述支承桿連接到所述凸臺上，所述支承桿從所述環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓周延伸到所述凸臺上，從而使環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)與底座間隔開。
6.如前述權(quán)利要求中任一個所述的速度傳感器，其特征在于，所述支承桿的總剛度小于所述環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)的剛度。
7.基本如前所述的并且參考和/或基本如附圖4、5、8A、8B或8C所示的速度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三軸速度傳感器(10)，包括具有基本環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)的基本上平面振動共振器(5)，所述環(huán)形或圈形結(jié)構(gòu)具有繞一共同軸線延伸的內(nèi)圓周(6)和外圓周；用于使所述共振器以Cos2θ振動模式振動的驅(qū)動裝置(22)；用于感應所述共振器(5)響應于所述驅(qū)動裝置的運動的載體模式敏感元件裝置(23)；用于檢測所述共振器響應于繞x軸、y軸和z軸的轉(zhuǎn)動的運動的x軸、y軸和z軸響應模式敏感元件裝置(25、27、31)；用于使所述運動指零的x軸、y軸和z軸響應模式驅(qū)動裝置(24、26、30)；用于檢測所述共振器響應于繞x軸轉(zhuǎn)動的運動的x軸響應模式敏感元件裝置；用于使所述運動指零的x軸響應模式驅(qū)動裝置；用于檢測所述共振器響應于繞y軸轉(zhuǎn)動的運動的y軸響應模式敏感元件裝置；用于使所述運動指零的y軸響應模式驅(qū)動裝置；以及一支承裝置(9)，用于柔性支承所述共振器(5)、并且允許所述共振器(5)響應于驅(qū)動裝置(22)和所施加的轉(zhuǎn)動、相對于該支承裝置(9)振動，其中所述支承裝置(9)僅包括L個支承桿，其中L≠2k且K＝0，1，2，或3。
文檔編號G01P9/04GK1571912SQ02820432
公開日2005年1月26日 申請日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月14日
發(fā)明者克里斯托弗·P·費爾, 麗貝卡·埃利, 科林·H·J·?？怂? 斯圖爾特·麥克威廉 申請人:Bae系統(tǒng)公共有限公司