專利名稱：振動陀螺速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于感應在施加三軸上的速度的速度傳感器。
Coriolis速度傳感器中平面環(huán)形共振器的使用是眾所周知的。GB9620982.0公開了這樣一種裝置，其結合使用了如

圖1A和1B所示的一對平面內sin2θ/cos2θ振動模式和如圖2A和2B所示的一對平面外sin3θ/cos3θ振動模式。所述平面內cos2θ模式作為典型地保持在固定振幅上的載體模式被激活。當所述裝置繞垂直于環(huán)平面的軸(Z軸)轉動時，產生的Coriolis力將能量耦合到附加的平面內sin2θ模式中。當所述裝置繞環(huán)平面內的y軸轉動時，產生的Coriolis力將能量耦合到平面外cos3θ響應模式中。當所述裝置繞環(huán)平面內的x軸轉動時，產生的Coriolis力將能量耦合到平面外sin3θ響應模式中。產生的響應模式運動的振幅相對合適的輸入軸直接正比于所施加速度。GB9620982.0也公開了三軸速度傳感器裝置，其結合使用了如圖3A和3B所示的一對平面內sin3θ/cos3θ振動模式和如圖4A和4B所示的一對平面外sin2θ/cos2θ振動模式。所述平面內cos3θ模式作為典型地保持在固定振幅上的載體模式被激活。當所述裝置繞垂直于環(huán)平面內的軸(z軸)轉動時，感應的Coriolis力將能量耦合到附加的平面內sin3θ模式中。當所述裝置繞環(huán)平面內的y軸轉動時，產生的Coriolis力將能量耦合到平面外cos2θ響應模式中。當所述裝置繞環(huán)平面內的x軸轉動時，產生的Coriolis力將能量耦合到平面外sin2θ響應模式中。產生的響應模式運動的振幅與圍繞合適的輸入軸所施加的速度成正比。
對于前述裝置，需要載體頻率和三個響應模式頻率在標稱上一致。隨著所述頻率被精確地與響應模式振幅相匹配時，振動就通過結構的機械質量因子Q放大。這就不可避免地使結構公差更加嚴格。實踐上，例如在合適位置通過增加或去掉材料來精確調節(jié)振動結構或共振器的平衡是必要的。這就調節(jié)了模式的剛度或質量參數，從而微小地改變了模式頻率。當不產生與放大系數Q不相匹配的所述頻率時，敏感元件可制成足夠的敏感以提供滿足要求的陀螺儀性能。
對于完美的由沿徑向同向的材料制成的無支撐的環(huán)結構來說，任何給定對的平面內或平面外sinNθ/cosNθ模式對于任何值N將具有相同的頻率。其中N為模式級。由于需要支撐環(huán)的支柱結構，這種退化會受到擾動。在現有技術的三軸速度傳感器設計中，對于支柱的合理構造，支柱的數量和設置是這樣的，其可保持平面內和平面外sinNθ/cosNθ模式的對稱。這種結構可通過符合下列公式的支柱的數量得以獲得L＝NxN，x4其中N為平面內模式級，或者N為平面外模式級。當利用sin2θ/cos2θ模式和sin3θ/cos3θ模式的結合時，這就表明需要使用24個等角度間隔設置的支柱。共振器尺寸的設置使平面內模式對的頻率與平面外模式對的頻率相匹配。
所述支柱結構用來將環(huán)懸掛但也必須允許其平面內和平面外的振動在基本上都為無阻尼的振蕩。當在平面內和平面外振動時，支柱的總剛度必須明顯地小于環(huán)自身的剛度，從而模式振動由環(huán)結構決定。為獲得所需的柔性比，所述支柱需比所述環(huán)的邊緣寬度薄得多。圖5A和5B示出了GB9620982.0中公開的使用了24個支柱的兩種合適的支柱設置。在此設置中設置有S或C形支柱3，其從中央凸臺13向外延伸到環(huán)2的內圓周上。所述支柱適應于平面內徑向和切向的運動，也適應于平面外的運動。本領域的技術人員可以理解的是，對于可獲得相同目的具體的支柱設計的其他變型是可行的。這些變型包括外部支柱的使用，其從所述環(huán)的外圓周徑向延伸到外部支架(未示出)上。這種尺寸的減小使所述結構更易于受到機械結構制造過程中的尺寸公差的影響。這將導致所述支撐支柱元件的重量和剛度的變化，這些變化會干擾模式動態(tài)的對稱，因而在平面內和平面外模式對中產生不希望的分頻(frequency splitting)。
現有技術中公開的這種結構可以通過一些生產過程，由各種材料制成。當這些裝置由金屬制造時，所述裝置可以使用線腐蝕技術方便地加工到高精確度以獲得所需公差的精確尺寸。這種過程涉及在每個支柱的邊緣和環(huán)結構周圍順序地將材料切割下來。從而，加工時間和生產成本相對支柱的數量成比例地增加。因此，減小支柱的數量是非常有益的?？蓪㈩愃频目紤]應用到使用可替換的過程的由其他材料制成的結構上。
能夠設計平面環(huán)結構是所希望的。其中平面環(huán)結構，與具有相對較多支柱的現有技術設置相比，在更大程度上需要的支柱數量減少了，而沒有影響環(huán)結構的振動。
根據本發(fā)明的第一方面，提供有一種三軸速度傳感器，包括具有基本上環(huán)形或圈形結構的基本上平面振動共振器，所述環(huán)形或圈形結構具有繞共同軸線延伸的內圓周和外圓周；用于導致共振器以平面內cos2θ振動模式振動的驅動裝置；用于感應共振器響應所述驅動裝置的運動的載體模式敏感裝置；用于感應繞z軸轉動而產生的平面內sin2θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；用于感應繞x軸轉動而產生的平面外sin3θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；用于感應繞y軸轉動而產生的平面外cos3θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；以及用于可柔性地支撐共振器和用于允許共振器響應于驅動裝置或所施加的轉動而相對支撐裝置振動的支撐裝置。其中支撐裝置僅包括L個支撐桿，其中L≠2Jx3k，J＝0，1或2，K＝0或1，且L＜24。例如，可以是五個或七個支撐桿。
根據本發(fā)明的第二方面，提供有一種三軸速度傳感器，包括具有基本上環(huán)形或圈形結構的基本上平面振動共振器，所述環(huán)形或圈形結構具有繞共同軸線延伸的內圓周和外圓周；用于導致共振器以平面內cos3θ振動模式振動的驅動裝置；用于感應共振器響應所述驅動裝置的運動的載體模式敏感裝置(carrier mode pick-off means)；用于感應繞z軸轉動而產生的平面內sin3θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；用于感應繞x軸轉動而產生的平面外sin2θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；用于感應繞y軸轉動而產生的平面外cos2θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；以及用于可柔性地支撐共振器和用于允許共振器響應驅動裝置或所施加轉動而相對支撐裝置振動的支撐裝置。其中支撐裝置僅包括L個支撐桿，其中L≠2Jx3k，J＝0，1或2，K＝0或1，且L＜24。例如，可以是五個或七個支撐桿。
優(yōu)選地，為簡化制造過程，設置有可少于二十四個的支撐桿。
每一個支撐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，所述支撐桿基本上等角間隔設置。
為方便，支撐裝置包括具有凸臺的底座，基本上環(huán)形或圈形結構的內圓周通過支撐桿連接到凸臺上，所述支撐桿從環(huán)形或圈形結構的內圓周延伸到所述凸臺上，從而使所述環(huán)形或圈形結構與底座分開放置。
在該實施方案中，支撐桿的總剛度小于環(huán)形或圈形結構的剛度。
作為包括支柱運動影響的環(huán)形或圈形結構的動態(tài)特性詳細分析的結果而獲得前述定義的公式。本發(fā)明可提供有增加的設計撓性，其允許更大的支柱柔性(相對環(huán)結構)，同時可施加增加的支柱尺寸(在環(huán)平面內)。這種設計可減少受尺寸公差影響的敏感度，且可允許更經濟的制造。
為更好地理解本發(fā)明以及示出本發(fā)明是怎樣實施的，現結合附圖并通過示例進行說明，其中圖1A和1B示出了平面內sin2θ和cos2θ模式；圖2A和2B示出了平面外sin3θ和cos3θ模式；圖3A和3B示出了平面內sin3θ和cos3θ模式；圖4A和4B示出了平面外sin2θ和cos2θ模式；圖5A和5B示出了根據現有技術的兩種可行的24個支柱的結構；圖6示出了根據本發(fā)明的具有5個支柱的共振器平面圖7示出了根據本發(fā)明的具有7個支柱的共振器平面圖；圖8示出了現有技術中三軸速度傳感器的平面圖；圖9示出了圖8中所示傳感器的截面圖；以及圖10示出了現有技術中三軸傳感器的一個可替換的實施方案的平面圖。
圖8示出了用于在三軸上感應施加速度的傳感器的平面圖。這種已知的傳感器僅通過實施例的方式描述，根據本發(fā)明，其他設置的使用應該是可以理解的。
該實施例結合使用了平面外sin3θ/cos3θ模式和平面內sin2θ/cos2θ模式。環(huán)2的位置由虛線示出。這種平面內cos2θ載體模式使用驅動元件4驅動進行振蕩，該驅動元件4的有效中心相對固定參考軸R，繞環(huán)2的外圓周位于0°和180°位置上。對每一個元件來說，垂直于正對環(huán)圓周的環(huán)2平面的表面與形成其他盤的環(huán)圓周的正對部分形成電容器的盤。所述環(huán)2相對驅動元件4保持在固定電勢上。以載體模式頻率施加到驅動元件盤上的振蕩電壓產生靜電力，將環(huán)2固定在振蕩中。類似地，用于相對固定參考軸R位于90°和270°上的載體模式的敏感元件5與正對環(huán)部分形成電容器，在電容器間隙變化時，用于檢測環(huán)2的運動。相對固定參考軸R位于45°和225°的敏感元件6用于當陀螺儀繞z軸轉動時，檢測平面內sin2θ響應模式的振幅。相對所述參考軸R位于135°和315°的Z軸驅動元件7，可用于將模式運動指零以允許陀螺儀在力反饋結構(forced feedback configuration)中運行。當在此模式內運行時，指零驅動力正比于所施加速度。這種運行模式相比開環(huán)模式提供了性能優(yōu)勢。
提供x軸速度敏感度的平面外cos3θ響應模式相對所述參考軸R沿環(huán)圓周在0°、60°、120°、180°、240°和300°的位置上設有反節(jié)點(anti-nodes)。y軸sin3θ響應模式相對所述參考軸R沿環(huán)圓周在30°、90°、150°、210°、270°和330°的位置上設有反節(jié)點。驅動和敏感元件可位于相鄰所述這些位置的任何合適結合處。方便地，在邊緣的正下方設置有12個盤狀元件，以便在所述盤和所述環(huán)下表面的平行正對部分之間形成電容器。方便地，所述盤應延伸到所述環(huán)邊緣的內端和外端上。因此，載體模式的平面內運動不會改變盤的有效面積，并且不會由于疏忽被這些盤狀元件檢測到。位于0°、120°和240°位置的元件8作為x軸敏感元件使用。由這些元件形成的信號是同相的，并可方便地加和在一起以在檢測模式運動中得到提高的敏感度。相對參考軸R位于60°、180°和300°位置的盤狀元件9，作為具有施加在所有這些元件上的相同驅動電壓的驅動元件，以將所述運動指零來有助于力反饋的運行。類似地，相對參考軸R位于30°、150°和270°位置的盤狀元件10是y軸敏感元件，其具有相對參考軸R位于90°、210°和330°位置的盤狀元件11，這些盤狀元件形成用于上述模式的驅動元件。
圖9示出了沿著y軸穿過圖8和穿過共振器環(huán)2中心的截面圖，其中示出裝置的結構細節(jié)。所述x和y軸驅動和敏感元件為電絕緣基板層12表面上的傳導位置。這些元件位置通過軌線(track)連接到結合襯墊上(未示出)，它們可被電連接到控制電路上。環(huán)2通過支柱3連接到中央支撐底座13上。該底座延伸到環(huán)2的下面，并牢固地結合在所述基板層12上，從而環(huán)和支柱可自由懸掛在基板層12上。平面內模式驅動和敏感元件牢固地結合在基板層12上，其利用根據需要提供的磁軌和結合襯墊，使得與控制電路的連接成為可能。
對這種結構的修改是可行的。牢固地固定在共振器環(huán)2上的第二絕緣基板層的加入，以及對平面外驅動和敏感元件電容器盤排列的復制會增加陀螺儀沿x和y軸的敏感度。然而，這將使制造過程復雜化，而且不會改變陀螺儀的本質上的設計特征或功能性。
一種已知的三軸陀螺儀可以結合使用平面外sin2θ和cos2θ響應模式和平面內sin3θ和cos3θ模式。對于這種實施方案，必須保持平面內sin3θ和cos3θ模式，和平面外sin2θ和cos2θ響應模式對的退化。圖10示出了所述驅動和敏感元件的取向的示意圖。除了驅動和敏感元件的布局外，陀螺儀的布局在很大程度上與前述示例中的布局一致。所述平面內cos3θ載體驅動裝置元件14相對固定參考軸R位于0°、120°和240°的位置上，而敏感裝置元件15相對固定參考軸R位于60°、180°和300°的位置上。Z軸平面內sin3θ響應模式驅動元件16相對固定參考軸R位于30°、150°和270°的位置上，而敏感元件17相對固定參考軸R位于90°、210°和300°的位置上。所述平面外x軸cos2θ響應模式敏感元件18相對固定參考軸R位于0°、和180°的位置上，而指零驅動元件19相對固定參考軸R位于90°和270°的位置上。所述平面外y軸sin2θ敏感元件20相對固定參考軸R位于45°、和225°的位置上，而y軸指零驅動元件21相對固定參考軸R位于135°和315°的位置上。
對于一個三軸陀螺儀，使用一對如圖1A和1B所示的平面內cos2θ/sin2θ振動模式和如圖2A和2B所示的一對退化平面外sin3θ/cos3θ振動模式。平面內cos2θ模式作為可典型地維持在固定振動振幅上的主要載體模式。當這種裝置繞垂直于環(huán)平面的軸(z軸)轉動時，產生的Coriolis力將能量耦合到附加的平面內sin2θ響應模式中。當所述裝置繞環(huán)平面內的y軸轉動時，產生的Coriolis力將能量耦合到平面外cos3θ響應模式中。當所述裝置繞環(huán)平面的x軸轉動時，產生的Coriolis力將能量耦合到平面外sin3θ響應模式中。產生的響應模式運動的振幅相對于合適的輸入軸直接正比于所施加的轉動速度。
通過對包括支柱運動影響的環(huán)結構動態(tài)特性的詳細分析，使簡單公式的開發(fā)成為可能。這種簡單化的公式，依據基本上均勻放置、用于保持與所期望振動模式對相匹配頻率的所需支柱數量，說明了可行的選擇范圍。
分析指出，支柱數量的要求與以前所公開的數量相比更不易受到限制。用于指出哪一個模式對于給定數量、均勻設置支柱會具有分頻的簡單公式已經導出。這些公式廣泛地適用于平面內和平面外模式，并適于L＜2的情況。如果L≤2，所有模式都被分頻。對于具有偶數量的支柱，L，用于N級模式的分頻僅僅在下述條件滿足時產生N＝LK/2其中K是整數。當K＝1時，產生最大分頻，并且隨著K的增加而減小。如果支柱L的數量為奇數，那么僅僅當N＝LK時產生分頻。再一次地，K＝1時產生最大分頻，并隨著K值的增加而減小。
如本文所述，通過結合使用平面外sin3θ/cos3θ和平面內sin2θ/cos2θ模式，或者結合使用平面外sin2θ/cos2θ和平面內sin3θ/cos3θ模式的設計，在共振器的設計中可應用上述原理。這就導出用于所述結構的支柱的數量不再限制為24個的結論。也可以構造成與下述公式相一致的平面形共振器L≠2Jx3k其中J為恒定值0，1或2，K值為恒定值0或1，且L＜24。所述支柱應等角間隔設置。如圖6和7所示，本發(fā)明中使用了包括以72°的角間隔設置的5個支柱、以51.4°的角間隔設置的7個支柱等的支柱結構，它們都維持了用于所述平面內和平面外模式所需模式頻率的匹配。盡管更多支柱的使用是可行的，考慮到前述原因，使用減少數量的支柱是有利的。
如圖6和圖7所示的支柱結構僅當使用減少數量支柱時是可行的。這些結構包括從中央凸臺13向外延伸的第一線性徑向部分9′，從環(huán)的內圓周向內延伸但與所述第一部分沿徑向分開設置的第二線性部分9。所述這兩個線性部分通過拱形部分9″相連接，從而所述三個線性部分整體形成。共振器結構的平面內徑向剛度主要由拱形部分9″決定。平面內切向剛度主要由線性部分9′和9決定。所有部分在決定平面外剛度時都起到一部分作用。當需要較多數量支柱時，所述拱形部分9″的長度嚴重的受到臨近支柱近端的限制。因此，除非支柱數量比24少得多，使用所述支柱來維持平面內徑向柔性是不可能的。這種設計在現有技術中是公知的。
在所有共振器設計中，支柱的結合剛度需小于環(huán)結構的剛度。這就確保了模式振動是由環(huán)結構所決定，且有助于使共振器免受通過結構軸13耦合的熱感應應力的影響。當施加較少的支柱時，所需支柱與環(huán)的柔性比可通過使用增加寬度的更長支柱結構來保持。這就使制造過程中這些結構不易于受到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，其對傳感器性能是有害的。這就使得為獲得所需的性能標準的機械修整過程的使用尤其有必要。因此，考慮到成本和制造時間，減少用于這種機械修整的過程是極為理想的。
權利要求
1.一種三軸速度傳感器，包括具有基本上環(huán)形或圈形結構的基本上平面振動共振器，所述環(huán)形或圈形結構具有繞共同軸線延伸的內圓周和外圓周；用于引起共振器以平面內cos2θ振動模式振動的驅動裝置；用于感應共振器響應所述驅動裝置的運動的載體模式敏感裝置；用于感應繞z軸轉動而產生的平面內sin2θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；用于感應繞x軸轉動而產生的平面外sin3θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；用于感應繞y軸轉動而產生的平面外cos3θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；以及支撐裝置，用于可柔軟地支撐共振器和用于允許共振器響應于驅動裝置或所施加的轉動而相對支撐裝置振動，其中支撐裝置僅包括L個支撐桿，其中L≠2J×3k，J＝0，1或2，K＝0或1，且L＜24。
2.一種三軸速度傳感器，包括具有基本上環(huán)形或圈形結構的基本上平面振動共振器，所述環(huán)形或圈形結構具有繞共同軸線延伸的內圓周和外圓周；用于引起共振器以平面內cos3θ振動模式振動的驅動裝置；用于感應共振器響應所述驅動裝置的運動的載體模式敏感裝置；用于感應繞z軸轉動而產生的平面內sin3θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；用于感應繞x軸轉動而產生的平面外sin2θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；用于感應繞y軸轉動而產生的平面外cos2θ共振器運動的敏感裝置；用于將所述運動指零的驅動裝置；以及支撐裝置，用于可柔軟地支撐共振器和用于允許共振器響應于驅動裝置或所施加的轉動而相對支撐裝置振動，其中所述支撐裝置僅包括L個支撐桿，其中L≠2J×3k，J＝0，1或2，K＝0或1，且L＜24。
3.如權利要求1或2所述的速度傳感器，其特征是，L＜24。
4.如權利要求1至3中任一個所述的速度傳感器，其特征是，每一個支撐桿包括從拱形部分的相對兩端延伸的第一和第二線性部分。
5.如前述權利要求中任一個所述的速度傳感器，其特征是，所述支撐桿基本上等角間隔設置。
6.如前述權利要求中任一個所述的速度傳感器，其特征是，所述支撐裝置包括具有凸臺的底座，基本上環(huán)形或圈形結構的內圓周，其通過所述支撐桿連接到凸臺上，所述支撐桿從所述環(huán)形或圈形結構的所述內圓周延伸到所述凸臺上，從而使所述環(huán)形或圈形結構共振器與所述底座間隔設置。
7.如前述權利要求中任一個所述的速度傳感器，其特征是，所述支撐桿的總剛度小于所述環(huán)形或圈形結構共振器的剛度。
8.基本上如本發(fā)明前述參考和/或如附圖6和7所示的一樣說明的速度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三軸速度傳感器，包括具有基本上環(huán)形或圈形結構的基本上平面振動共振器(2)，用于導致共振器(2)以平面內Cos2θ振動模式振動的驅動裝置(4)；用于感應共振器響應所述驅動裝置的運動的載體模式敏感裝置(5)；用于繞z軸轉動而產生的平面內Sin2θ共振器運動的敏感裝置(6)；用于將所述運動指零的驅動裝置(7)；用于繞x軸轉動而產生的平面外Sin3θ共振器運動的敏感裝置(8)；用于將所述運動指零的驅動裝置(9)；用于繞y軸轉動而產生的平面外cos3θ共振器運動的敏感裝置(10)；用于將所述運動指零的驅動裝置(11)；以及用于可柔軟地支撐共振器的支撐裝置(9)。其中支撐裝置僅包括L個支撐桿，其中L≠文檔編號G01P9/04GK1571913SQ02820433
公開日2005年1月26日 申請日期2002年9月6日 優(yōu)先權日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