CN103649682A

CN103649682A - 传感器安装座减振

Info

Publication number: CN103649682A
Application number: CN201280032565.7A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·H·摩尔
Original assignee: Custom Sensors and Technologies Inc
Current assignee: Custom Sensors and Technologies Inc
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2014-03-19
Also published as: EP2702358A4; US20120291551A1; US8573057B2; EP2702358A2; WO2012149256A3; WO2012149256A2

Abstract

本发明提供了一种用于减少惯性速度传感器（IRS）中的安装座的振动的技术。例如，如果沿第一轴线振动的IRS的振动构件中的振荡导致IRS的安装座沿第二轴线的位移，那么振动构件就可被对准使得振动构件在振荡期间具有沿第二轴线的某一运动分量。该运动分量可有助于减少IRS的安装座沿第二轴线的位移。其还可降低对IRS的边界条件中的变化（例如，来自于IRS之外的力在安装座处的振动和其他运动）的敏感性。振动构件还可在振动构件的末端处具有增加质量的部分，该部分可影响振动构件的对准。然而，这些例子并不是穷尽的。

Description

传感器安装座减振

背景

惯性传感器可检测和测量各种类型的加速、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动，其可用在工业、医疗、通信、消费和汽车应用中。为了帮助提供运动检测和测量，这些传感器包括加速度计和陀螺仪。

一些惯性速度传感器（IRS），如振动陀螺仪，可在一个或多个振动构件的被驱动振荡由于科里奥利效应（Coriolis Effect）耦合到另一种模式的结构时旋转。例如，典型的音叉陀螺仪可通过利用尖头（tine）作为振动构件来感测旋转。音叉陀螺仪通常具有两个尖头，但其他类型的振动陀螺仪可具有不同数量的振动构件。当尖头被驱动得振荡时，围绕平行于尖头的纵向轴线（即长形尺寸）的轴线的旋转可将驱动振荡耦合成尖头的反相、平面外运动。换句话说，尖头在音叉陀螺仪的平面外上下移动，彼此不同相。这种模式的振荡通常被称为音叉陀螺仪的感测模式（或拾取模式）。可围绕其感测旋转的轴线被称为量测轴线（sensitive axis）（或输入轴线）。

虽然这样的IRS的振荡使IRS能够感测旋转，但是振荡也可引起IRS的安装座中的不期望位移。例如，振动陀螺仪可能是关于沿振荡运动的轴线的运动大体上平衡，但可具有关于其它轴线的不平衡运动。特别地，在连接振动构件的分叉区域处和/或接近该分叉区域的应力可引起结构的其余部分经历垂直于振荡运动的轴线的运动。这样的不期望位移可能负面地影响IRS的稳定性和准确性。

概述

根据本公开的惯性速度传感器的例子包括基部和与基部耦合并关于对称轴线对称地定位的多个振动构件。每个振动构件包括从基部向外延伸到振动构件的末端的长形尺寸，以及振动构件被配置为在被驱动得振荡时沿着其移动的运动轴线。运动轴线大体上垂直于长形尺寸，并且每个振动构件的长形尺寸是与对称轴线成角度的，使得每个振动构件在被驱动得振荡时包括平行于对称轴线的运动分量。

这样的惯性速度传感器的实施可包括下面的特征中的一个或多个。每个振动构件是逐渐变细的，使得每个振动构件的横向尺寸从基部向振动构件的末端减少。基部和该多个振动构件包括压电材料。该多个振动构件中的每一个包括在振动构件的末端处的增加质量的部分。对于该多个振动构件中的每一个来说，该增加质量的部分是关于平行于振动构件的长形尺寸的轴线对称的。对于该多个振动构件中的每一个来说，该增加质量的部分是关于平行于对称轴线的轴线对称的。

根据本公开的用于在惯性速度传感器中使用的音叉（tuning fork）的例子包括具有安装区域的基部，以及与基部耦合并对称地定位在对称轴线的相对侧部上的两个振动构件。每个振动构件包括从基部向外延伸到振动构件的末端的长形尺寸，以及振动构件被配置为在被驱动得振荡时沿着其移动的运动轴线，运动轴线大体上垂直于长形尺寸并且大体上与对称轴线和长形尺寸共面。每个振动构件的长形尺寸是与对称轴线成角度的，使得每个振动构件在被驱动得振荡时包括平行于对称轴线的运动分量。

用于在惯性速度传感器中使用的这样的音叉的实施可包括下面的特征中的一个或多个。每个振动构件是逐渐变细的，使得每个振动构件的横向尺寸从基部向振动构件的末端减少。基部和该多个振动构件包括压电材料。该多个振动构件中的每一个包括在振动构件的末端处的增加质量的部分。对于该多个振动构件中的每一个来说，该增加质量的部分是关于平行于振动构件的长形尺寸的轴线对称的。对于该多个振动构件中的每一个来说，该增加质量的部分是关于平行于对称轴线的轴线对称的。每个振动构件的长形尺寸和对称轴线之间的角度在1至3度的范围内。每个振动构件的长形尺寸和对称轴线之间的角度被配置为在两个振动构件被驱动得振荡时减少在安装区域处的振动。多个感测构件与主体耦合，感测构件被配置为在该两个振动构件被驱动得振荡时检测围绕量测轴线的旋转。

根据本公开的用于在惯性速度传感器中使用的结构的例子包括压电材料的主体，该主体包括基部和多个振动构件。该多个振动构件与基部耦合并关于对称轴线对称地定位。每个振动构件包括从基部向外延伸到振动构件的末端的长形尺寸、在振动构件的末端处的增加质量的部分；以及振动构件被配置为在被驱动得振荡时沿着其移动的运动轴线，运动轴线大体上垂直于长形尺寸并且大体上与对称轴线和长形尺寸共面。每个振动构件的长形尺寸是与对称轴线成角度的，使得振动构件在被驱动得振荡时包括平行于对称轴线的运动分量。

用于在惯性速度传感器中使用的这样的结构的实施可包括下面的特征中的一个或多个。对于该多个振动构件中的每一个来说，该增加质量的部分是关于平行于振动构件的长形尺寸的轴线线对称的。对于该多个振动构件中的每一个来说，该增加质量的部分是关于平行于对称轴线的轴线对称的。多个感测构件与主体耦合，感测构件被配置为在该两个振动构件被驱动得振荡时感测围绕量测轴线的旋转。每个振动构件是逐渐变细的，使得每个振动构件的横向尺寸从基部向振动构件的末端减少。

在此描述的项和/或技术可提供下面性能中的一个或多个，以及其它未提到的性能。减少在振动构件（例如，音叉IRS的驱动尖头）的振荡期间在IRS安装座上的位移。对IRS的边界条件中的变化（例如，由于外部因素而在安装座处的振动）更不敏感。IRS的增加的稳定性和精确性。另外，有可能通过除了上面提到的以外的项/技术来实现以上提到的效应，并且所提到的项/技术不一定产生所提到的效应。

附图简述

图1是具有大体上平行于对称轴线的振动构件的音叉陀螺仪的前视图。

图2A是振动部件在驱动模式下的振荡期间图1的音叉陀螺仪的前视图（为了说明的目的而被夸大）。

图2B是振动构件在感测模式下的振荡期间图1的音叉陀螺仪的侧视图（为了说明的目的而被夸大）。

图2C是振动构件在感测模式下的振荡期间图1的音叉陀螺仪的顶视图（为了说明的目的而被夸大）。

图3是图1的音叉陀螺仪的模拟的简化前视图，示出了在振动构件的振荡期间的结构位移。

图4是具有降低的安装座振动的改进的音叉陀螺仪的第一构型的前视图。

图5是图4的改进的音叉陀螺仪的模拟的简化前视图，示出了在振动构件的振荡期间的结构位移（为了说明的目的而被夸大）。

图6是改进的音叉陀螺仪的第二构型的前视图。

发明详述

在此讨论用于减少惯性速度传感器（IRS）上的安装座的振动的技术。例如，如果沿第一轴线振动的IRS的振动构件中的振荡导致的IRS的安装座沿第二轴线的位移，那么振动构件可被对准使得振动构件在振荡期间具有沿第二轴线的某一运动分量。该运动分量可有助于减少IRS的安装座沿第二轴线的位移。其还可降低对IRS的边界条件中的变化（例如，来自于IRS之外的力在安装座处的振动和其他运动，或安装座特性中的变化，例如强度或机械阻尼）的敏感性。振动构件还可在振动构件的末端处具有增加质量的部分，该增加质量的部分可影响振动构件的对准。然而，这些例子并不是穷尽的。

IRS可包括多种多样的振荡陀螺仪。在普通的单端型音叉陀螺仪中，振动构件（例如，叉的尖头）的驱动和对科里奥利诱导响应的感测必须在同一对尖头中发生。为了简化检测并提高信噪比以及其他原因，可使用第二对尖头。在第6,507,141号美国专利中和第US6,262,520号美国专利中提供了这样的双端结构的例子，这两者都通过引用完全并入本文。

图1是示例性双端型音叉陀螺仪100的前视图。在其他特征中，音叉陀螺仪100包括在分叉区190处与基部120耦合的一对振动构件或驱动尖头110。基部120包括用于将音叉陀螺仪100安装到基座（pedestal）或其他外部对象的安装座130。感测尖头150设置成借助于音叉陀螺仪100的拾取模式而感测旋转。各种隔离槽140被提供以有助于降低音叉陀螺仪100的驱动尖头110和其它部件之间的运动的耦合。

音叉陀螺仪100可包括压电材料，如晶状石英。石英中的压电效应通过对驱动尖头110上放置的电极（未示出）施加振荡电压而允许音叉陀螺仪100被驱动振荡。此外，当音叉陀螺仪100响应旋转时，音叉陀螺仪100的平面外运动可通过测量压电感应电荷来检测。使用收集该电荷的专门布置的电极（未示出）来进行检测。这些电极通过电迹线（trace）连接到电荷放大器电路，电荷放大器电路不是音叉本身的一部分。

音叉陀螺仪100是关于图1中示出的平行于Y轴的对称轴线180对称的。驱动尖头110对称地定位在对称轴线180的相对侧部上，使得当未被驱动得振荡时，驱动尖头170中的每一个的长形尺寸近似平行于对称轴线180。感测尖头150设置在音叉陀螺仪100的相对端部处。

音叉陀螺仪100的电输出可被看作是调幅（AM）信号，同时音叉陀螺仪100的驱动振荡频率可被看作是AM载波频率。音叉陀螺仪100的等速旋转产生以驱动模式频率的输出信号。在这个频率下的错误信号是不期望的，因为其可能导致传感器信号中的偏移或波动。可使用常见的解调技术将调制信号从载波带带到基带，基带处于或接近直流（DC）。

图2A-2C图示了图1的音叉陀螺仪100当被驱动得振荡时的运动。图2A是图1的音叉陀螺仪100的前视图，图2B是侧视图，以及图2C是顶视图。坐标轴线被提供用于容易参考和示出方向。为了说明的目的，图2A中示出的运动被夸大。如由图2A中的箭头220所表示的，驱动尖头110被驱动成主要在X轴方向上（即，在音叉陀螺仪100的平面内）沿振荡运动轴线或运动轴线210振荡。

振荡在感测模式下的平衡运动是期望的，只是因为其适用于驱动振荡。在音叉陀螺仪100（和其他音叉陀螺仪）中，围绕量测轴线（未示出）的旋转引起尖头的平面外运动，如图2B和2C中所示。这导致音叉陀螺仪100的尖头110、150的扭曲，如图2C中所示。音叉陀螺仪100的安装座130必须吸收这种振动，使音叉陀螺仪100对安装座130的强度或机械阻尼的变化敏感。另外，如果安装座130包括以接近驱动模式的自然频率或感测模式的自然频率的频率的任何旋转运动，则在安装座130处的振动输入可直接激发感测尖头150振动，导致错误的输出信号。然而，如图2C中所示，音叉陀螺仪100的感测尖头150可被设计使得驱动尖头110的扭曲几乎被感测尖头150处的相反扭曲抵消。

尽管沿运动轴线（即，平行于图2A-2C中示出的X轴）的运动是大体上平衡的，但是其他轴线可能经历不平衡的运动。特别地，在基部120附近的驱动尖头110上的应力可引起该结构的其余部分经受沿y轴的运动。图3是图1的音叉陀螺仪100的模拟的简化前视图，示出了驱动尖头110在驱动尖头110被向内驱动的时刻（即朝对称轴线（未示出））的振荡期间结构上的Y轴位移。音叉陀螺仪100的部分（不包括在驱动尖头110的末端处的增加质量的部分160（也被称为尖头“头部”或“锤”））根据相对量而被不同地绘以阴影。较深的部分310和320分别代表经历最大程度的正位移和负位移的部分。较浅的部分330和340分别代表经历中等的正位移和负位移的部分。

在驱动尖头110被向外（即远离对称轴线（未示出））驱动的时刻振荡期间位移是反向的（例如，从正到负）。因此，例如，当驱动尖头110沿运动轴线（平行于X轴线）从向内位置振荡到向外位置时，安装座130经历从最大程度的正的Y轴位移（在图3中由区域310表示）到最大程度的负的Y轴位移的变化。安装座130的这种振荡位移因此大体上垂直于运动轴线。

安装座130沿Y轴的这种类型的振动是不期望的。例如，其被直接传送到音叉陀螺仪100的外部环境，使音叉陀螺仪100对在其边界条件中的变化敏感。沿着这些线路，外部机械环境可最终通过安装座130特别是通过围绕量测轴线的旋转运动将该运动中的一些耦合回音叉陀螺仪100。例如，假如结构具有以音叉陀螺仪100的驱动振荡频率或接近该频率的共振，则可发生音叉陀螺仪100和音叉陀螺仪100所安装的结构之间的共振干扰。可选择地，如果音叉陀螺仪100被悬挂在顺从性构件内以便提供振动隔离，那么音叉陀螺仪100将在顺从性悬架内沿Y轴平移地振荡。这可使音叉输出对顺从性悬架的特性中的变化敏感。这些因素可导致输出中的不期望偏移，降低了稳定性和精度。

安装座130沿Y轴的振动可通过调整音叉陀螺仪100的驱动尖头110的对准来降低或消除。如上面所讨论的，音叉陀螺仪100的驱动尖头110中的每个被对准使得长形尺寸170平行于Y轴。当被驱动以振荡时，驱动尖头110引起一定量的y轴运动，如图2A-2C中所示出的。然而，该Y轴位移可通过调整驱动尖头110的对准而被抵消。例如，如果每个驱动尖头110的长形尺寸170不再平行于Y轴，但向外倾斜使得驱动尖头110形成稍微的“Y”形状，那么驱动尖头110（包括增加质量的部分160）的运动现将具有沿Y轴指向的振荡分量。对驱动尖头110的角度的精确调整允许安装座130处的Y轴运动最小化。

图4是具有降低的安装座振动的改进的音叉陀螺仪400-1的第一构型的前视图。许多特征类似于图1的音叉陀螺仪100，例如锥形尖头410、450的增加质量的部分（在尖头410、450的任一组或两组上）、安装座430等。相比图1的音叉陀螺仪100，图4中的音叉陀螺仪400-1具有略向外成角度的改进的驱动尖头410。更具体地，改进的驱动尖头410中的每一个的长形尺寸470不平行于Y轴（或对称轴线480）。而是，在长形尺寸470和Y轴之间存在角度420，使得当每个改进的驱动尖头410被沿运动轴线驱动得振荡时，存在平行于Y轴（或对称轴线）的运动分量。

取决于该结构的设计，每个改进的驱动尖头410与Y轴的角度420可以改变。具有类似于图4中所示的改进的音叉陀螺仪400-1的设计的陀螺仪可要求1-3度的范围内的角度。其他的构型可要求更大或更小的角度（或角度范围）以减少安装座振动，取决于各种因素，例如驱动尖头470的质量和/或该结构的其余部分的质量。

图4的改进的音叉陀螺仪400-1还示出了改进的驱动尖头410的增加质量的部分460可如何被配置成相对于驱动尖头的定位。例如，增加质量的每部分460可以是关于平行于对称轴线480的轴线485对称的。因此，由于每个驱动尖头410的长形尺寸470是相对于对称轴线480成角度的，因此增加质量的每部分460的运动是相对于驱动尖头410的其余部分相应地成角度的。

在图6中所示的改进的音叉陀螺仪400-2的可选择的构型中，增加质量的每部分460是关于平行于增加质量的部分460耦合到其的驱动尖头460的长形尺寸470的轴线487对称的。因此，由于每个驱动尖头410的长形尺寸470是相对于对称轴线480成角度的，因此增加质量的每部分460是相对于对称轴线480相应地成角度的。（为了减少图6中的混乱，表示对应于轴线487的尖头410的长形尺寸的箭头被省略。）其它的构型可包括通过旋转以到达振动的改进角度来设置一个边或两个边的角度。

图5是图4的改进的音叉陀螺仪400-1的模拟的简化前视图。类似于图3，图5图示了在驱动尖头110的振荡期间的结构上的Y轴位移。在这里，示出了在驱动尖头110被向外（即远离对称轴线480）驱动的时刻的位移。如通过箭头560所示出的，每个改进的驱动尖头410被配置为沿运动轴线570移动。每个运动轴线570大体上垂直于改进的驱动尖头410的长形尺寸并且大体上与对称轴线480和长形尺寸共面（即，运动轴线在XY平面内）。（然而，在拾取模式下，改进的驱动尖头410将在Z轴方向上位移，类似于图2B和2C所示的。）

类似于图3，图5中所示的改进的音叉陀螺仪400-1的部分（不包括在驱动尖头410的末端处的增加质量的部分460、驱动尖头410内的无阴影区域和驱动分叉区域的无阴影区域）根据Y轴位移的相对量被不同地绘以阴影。较深的部分510和540分别代表经历最大程度的正位移和负位移的部分。较浅的部分530代表经历中等的正位移和负位移的部分。部分510表示经历很少的Y轴位移或没有经历Y轴位移的部分。因此，根据图5中图示的模拟，当驱动尖头110被向外驱动时，改进的音叉陀螺仪400-1的安装座430经历很少Y轴位移或没有经历Y轴位移。此外，当驱动尖头110被向内驱动时，安装座430经历类似的减少位移。Y轴位移（例如，沿对称轴线的位移）中的这种减少降低了改进的音叉陀螺仪400-1对边界条件中的变化的敏感性并增加了改进的音叉陀螺仪400-1的稳定性和精确性。

在本文中描述的用于减少沿对称轴线的运动的原理和技术可被更广泛地应用到其它类型的IRS，以及具有振动构件的其他结构。例如，由结构和/或悬架的变形引起的在一个或多个安装座或振动IRS的锚定点处的不期望运动或反作用可用主要振动构件的角度调整来纠正以包括沿不期望运动的方向的运动分量。此外或者可选择地，这些IRS可具有比在此描述的音叉陀螺仪更多或更少的振动构件，并且可包括除了石英之外的材料，例如硅。

不同的计算机程序提供建模工具，该建模工具可用于帮助确定减轻或消除在IRS（或具有振动构件的其他结构）中的不期望运动所需的角度调整的量。如上所表示的，角度调整可取决于IRS的各种特征，但使用诸如有限元分析的方法的建模工具可将这些特征考虑进来并帮助用户确定适当的角度调整。一个这样的建模工具是

由宾夕法尼亚州的Canonsburg的ANSYS公司创建的一种计算机程序。许多其他的计算机程序提供类似的机械建模。

以上描述的方法、系统和设备是示例性的。其他的例子和实施在本公开和所附权利要求的范围和精神内。不同的构型视情况而定可省略、替代或添加不同的程序或部件。例如，关于某些构型描述的特征可组合在各种其它的构型中合。构型的不同方面和元件可以以类似的方式组合。另外，技术发展并且从而许多元件是示例性的且不限制本公开或权利要求的范围。

已经描述了几个示例性构型，可以使用各种改进、可选择的结构和等价结构而不脱离本公开的精神。例如，上面的元件可以是更大系统的部件，其中其他规则可优先于本发明的应用或以其它方式修改本发明的应用。此外，许多步骤可在以上元件被考虑之前、期间或之后进行。因此，上述描述不会限制本权利要求的范围。

Claims

1.一种惯性速度传感器，包括：

基部；以及

多个振动构件，其与所述基部耦合并关于对称轴线对称地定位，其中每个振动构件包括：

长形尺寸，其从所述基部向外延伸到所述振动构件的末端；以及

运动轴线，所述振动构件被配置为在被驱动得振荡时沿着所述运动轴线移动，所述运动轴线垂直于所述长形尺寸；

其中，每个振动构件的所述长形尺寸是与所述对称轴线成角度的，使得每个振动构件在被驱动得振荡时包括平行于所述对称轴线的运动分量。

2.如权利要求1所述的惯性速度传感器，其中每个振动构件是逐渐变细的，使得每个振动构件的横向尺寸从所述基部向所述振动构件的所述末端减少。

3.如权利要求1所述的惯性速度传感器，其中所述基部和所述多个振动构件包括压电材料。

4.如权利要求1所述的惯性速度传感器，其中所述多个振动构件中的每一个包括在所述振动构件的所述末端处的增加质量的部分。

5.如权利要求4所述的惯性速度传感器，其中对于所述多个振动构件中的每一个来说，所述增加质量的部分是关于平行于所述振动构件的所述长形尺寸的轴线对称的。

6.如权利要求4所述的惯性速度传感器，其中对于所述多个振动构件中的每一个来说，所述增加质量的部分是关于平行于所述对称轴线的轴线对称的。

7.一种用于在惯性速度传感器中使用的音叉，所述音叉包括：

基部，其具有安装区域；以及

两个振动构件，其与所述基部耦合并对称地定位在对称轴线的相对侧部上，每个振动构件包括：

运动轴线，所述振动构件被配置为在被驱动得振荡时沿着所述运动轴线移动，所述运动轴线垂直于所述长形尺寸并且大体上与所述对称轴线和所述长形尺寸共面；

8.如权利要求7所述的音叉，其中每个振动构件是逐渐变细的，使得每个振动构件的横向尺寸从所述基部到所述振动构件的所述末端减少。

9.如权利要求7所述的音叉，其中所述基部和所述多个振动构件包括压电材料。

10.如权利要求7所述的音叉，其中所述多个振动构件中的每一个包括在所述振动构件的所述末端处的增加质量的部分。

11.如权利要求10所述的音叉，其中对于所述多个振动构件中的每一个来说，所述增加质量的部分是关于平行于所述振动构件的所述长形尺寸的轴线对称的。

12.如权利要求10所述的音叉，其中对于所述多个振动构件中的每一个来说，所述增加质量的部分是关于平行于所述对称轴线的轴线对称的。

13.如权利要求10所述的音叉，其中每个振动构件的所述长形尺寸和所述对称轴线之间的角度在1至3度的范围内。

14.如权利要求10所述的音叉，其中每个振动构件的所述长形尺寸和所述对称轴线之间的角度被配置为在所述两个振动构件被驱动得振荡时减少在安装区域处的振动。

15.如权利要求10所述的音叉，还包括与所述主体耦合的多个感测构件，所述感测构件被配置为在所述两个振动构件被驱动得振荡时检测围绕量测轴线的旋转。

16.一种用于在惯性速度传感器中使用的结构，所述结构包括：

压电材料的主体，所述主体包括基部和多个振动构件，其中：

所述多个振动构件与所述基部耦合并关于对称轴线对称地定位，每个振动构件包括：

长形尺寸，其从所述基部向外延伸到所述振动构件的末端；

在所述振动构件的所述末端处的增加质量的部分；以及

运动轴线，所述振动构件被配置为在被驱动得振荡时沿着所述运动轴线移动，所述运动轴线垂直于所述长形尺寸并且大体上与所述对称轴线和所述长形尺寸共面；并且

每个振动构件的所述长形尺寸是与所述对称轴线成角度的，使得所述振动构件在被驱动得振荡时包括沿着所述对称轴线的运动分量。

17.如权利要求16所述的用于在惯性速度传感器中使用的结构，其中对于所述多个振动构件中的每一个来说，所述增加质量的部分是关于平行于所述振动构件的所述长形尺寸的轴线对称的。

18.如权利要求16所述的用于在惯性速度传感器中使用的结构，其中对于所述多个振动构件中的每一个来说，所述增加质量的部分是关于平行于所述对称轴线的轴线对称的。

19.如权利要求16所述的用于在惯性速度传感器中使用的结构，还包括与所述主体耦合的多个感测构件，所述感测构件被配置为在所述两个振动构件被驱动得振荡时检测围绕量测轴线的旋转。

20.如权利要求16所述的用于在惯性速度传感器中使用的结构，其中每个振动构件是逐渐变细的，使得每个振动构件的横向尺寸从所述基部向所述振动构件的所述末端减少。