CN1571912A - 振动陀螺速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三轴速度传感器(10)，包括具有基本环形或圈形结构的基本上平面振动共振器(5)，所述环形或圈形结构具有绕一共同轴线延伸的内圆周(6)和外圆周；用于使所述共振器以Cos2θ振动模式振动的驱动装置(22)；用于感应所述共振器(5)响应于所述驱动装置的运动的载体模式敏感元件装置(23)；用于检测所述共振器响应于绕x轴、y轴和z轴的转动的运动的x轴、y轴和z轴响应模式敏感元件装置(25、27、31)；用于使所述运动指零的x轴、y轴和z轴响应模式驱动装置(24、26、30)；用于检测所述共振器响应于绕x轴转动的运动的x轴响应模式敏感元件装置；用于使所述运动指零的x轴响应模式驱动装置；用于检测所述共振器响应于绕y轴转动的运动的y轴响应模式敏感元件装置；用于使所述运动指零的y轴响应模式驱动装置；以及一支承装置(9)，用于柔性支承所述共振器(5)、并且允许所述共振器(5)响应于驱动装置(22)和所施加的转动、相对于该支承装置(9)振动，其中所述支承装置(9)仅包括L个支承杆，其中L≠2k且K＝0，1，2，或3。

Description

振动陀螺速度传感器
技术领域
本发明涉及用于感应在三轴上施加速度的速度传感器。
背景技术
Coriolis速度传感器中使用平面环形共振器是众所周知的。GB2318184B公开了使用这样的共振器以便获得绕三个正交轴的速度敏感度。
GB2318184B所公开的装置使用了一对如图1A和1B所示的平面内cos2θ/sin2θ振动模式、并结合一对如图2A和2B所示的平面外退化sinθ/cos2θ(摆动)振动模式。所述平面内cos2θ模式作为通常保持在固定振动振幅的第一(主要)载体模式。当装置绕垂直于环平面的轴(Z轴)转动时，产生Coriolis力，所述Coriolis力将能量耦合到互补的平面内sin2θ响应模式中。当所述装置绕环平面内的y轴转动时，产生将能量耦合到平面外cosθ响应模式中的Coriolis力。当所述装置绕环平面内的x轴转动时，产生将能量耦合到平面外sinθ响应模式中的Coriolis力。产生响应模式运动的振幅直接正比于围绕合适输入轴施加的转动速度。
对于前述装置，要求载体模式和三个响应模式频率名义上相同。由于具有精确匹配的频率，响应模式振动的振幅就被所述结构的机械质量因子Q倍放大。这就不可避免地要求结构公差更加严格。实践中，可能有必要在合适位置通过增加或去除材料来精确调节振动结构或共振器的平衡。这就调节了用于各模式的质量参数或刚度，从而细微地改变了模式频率。当这些频率不相匹配时，就不产生Q放大，同时敏感元件必需要被制得足够敏感以提供满意的陀螺仪性能。
对于由沿径向各向同性的材料制成的无支承的完美环形结构来说，任何一对给定的平面内或平面外sinNθ/cosNθ模式对于任何值N将具有相同的频率。但由于需要用于支承环的支柱结构，这种简单情况可能会受到干扰。在现有技术的三轴速度传感器设计中，对于合理构造的支柱，支柱的数量和设置应是这样的，即其可保持平面内cos2θ/sin2θ和平面外sinθ/cosθ模式的对称。这种对称已经通过使用八个以45°角间隔设置的相同支柱获得。图3示出了所述这种设置。在该设置中，中央凸台20形成在支承框架10上。支柱9在中央凸台20和共振器5内圆周6之间延伸。值得注意的是，图3中支柱的线性部分9′和9″的相对长度有所不同，这是可由本领域技术人员理解的普通设计变化中的一部分。也可以理解的是，在图3中设置所述中央凸台20同样是共振器5的径向外部支承的一种公知替换方案。不管使用多少的支柱，所述这些设置是可互换。共振器尺寸的设置为使平面内cos2θ/sin2θ模式对的频率和平面外sinθ/cosθ模式对的频率相匹配。
所述支柱结构用来悬挂所述环形结构但也允许环形结构以基本无阻尼振动地摆动。当在平面内和平面外振动时，支柱的总刚度必须明显地小于环自身的刚度，从而使得模式振动由环形结构控制。为获得所需的柔性比，所述支柱需要比所述环的边缘宽度薄得多。对于这些装置，支柱的径向和切向刚度必须明显小于环自身的刚度，从而使得模式振动由环形结构控制。所述平面内径向刚度主要由支柱的拱形部分9的长度决定。支柱的直线(线性)部分9′和9″控制了平面内切向刚度。平面外刚度主要由支柱结构的总长度决定。由于支柱结构的弧角受到临近的相邻支柱的限制，为实现所述支柱的设计、特别是获得以上所述的径向刚度，维持环与支柱的柔性比变得愈加困难。这就需要对支柱的机械设计有更多的限制，并且要求必须使用相对环边缘而言很薄(在环的平面中)的支柱结构。这种尺寸的减小使所述结构更易在机械结构生产过程中受到尺寸公差的影响。这将导致所述支柱元件的质量和刚度的变化，从而会干扰模式动态特性的对称性，并因此会产生平面内和平面外模式对的不期望的分频。
现有技术中所述的结构可以通过许多工艺、由各种材料制成。当这些装置由金属制造时，可以使用线腐蚀技术以传统工艺、高精确度地机加工所述装置，以获得所需的精确尺寸公差。这种工艺涉及在每个支柱的边缘周围以及环形结构周围顺序地将材料切割下来。从而，机加工时间和生产成本相对支柱的数量成比例地增加。因此，使支柱的数量最小化是非常有益的。类似的考虑同样适用于利用替代工艺由其他材料制成的结构。
发明内容
希望能设计出平面环形结构。其中平面环形结构，与具有相对较多支柱的现有技术设置相比，在更大程度上需要的支柱数量减少了，而没有影响环形结构的振动。
根据本发明的第一方面，提供有一种三轴速度传感器，所述三轴速度传感器，包括具有基本环形或圈形结构的基本上平面振动共振器，所述环形或圈形结构具有绕一共同轴线延伸的内圆周和外圆周；用于使所述共振器以Cos2θ振动模式振动的驱动装置；用于感应所述共振器响应于所述驱动装置的运动的载体模式敏感元件装置；用于检测所述共振器响应于绕z轴转动的运动的z轴响应模式敏感元件装置；用于使所述运动指零(nulling)的z轴响应模式驱动装置；用于检测所述共振器响应于绕x轴转动的运动的x轴响应模式敏感元件装置；用于使所述运动指零的x轴响应模式驱动装置；用于检测所述共振器响应于绕y轴转动的运动的y轴响应模式敏感元件装置；用于使所述运动指零的y轴响应模式驱动装置；以及一支承装置，用于柔性支承所述共振器、并且允许所述共振器响应于驱动装置和所施加的转动、相对于该支承装置振动，其中所述支承装置仅包括L个支承杆，其中L≠2k且K＝0，1，2，或3。例如，可以是三个、五个、六个或七个支承杆。
优选地，为简化制造过程，设置有可少于八个的支承杆。
每一个支承杆可包括从拱形部分的相对两端延伸的第一和第二线性部分。
在该实施方案中，所述支承杆基本上等角间隔设置。
为方便，所述支承装置包括具有凸台的底座，所述基本环形或圈形结构的内圆周通过所述支承杆连接到所述凸台上，所述支承杆从所述环形或圈形结构的内圆周延伸到所述凸台上，从而使环形或圈形结构与底座间隔开。
在该实施方案中，支承杆的总刚度小于环形或圈形结构的刚度。
通过对环形或圈形结构动态特性、包括支柱运动的影响的详细分析，已经获得如上所述的公式。本发明可提供改善的设计灵活性，以便允许更大的支柱柔性(相对环形结构而言)，同时应用更大的支柱尺寸(在环平面内)。这种设计可减少对尺寸公差影响的敏感度，且可允许更经济地制造。
附图说明
为更好地理解本发明以及说明本发明的实施方式，现结合附图并通过示例进行说明，，其中：
图1A和1B示出了对称共振器或振动结构中一对平面内cos2θ/sin2θ的振动模式；
图2A和2B示出了对称共振器或振动结构中作为响应模式的一对平面外退化cos2θ/sin2θ(摇摆)振动模式；
图3示出了适用于根据本发明的三轴速度传感器的传统振动结构或共振器的平面图；
图4示出了根据本发明的三轴速度传感器的平面图；
图5是图4中结构的端面视图的详图；
图6A示出对称共振器或振动结构中作为载体模式的cos2θ振动模式；
图6B是相对图6A以45°角间隔设置、但用作响应模式的另一个sin2θ模式的示意图；
图7A和7B示出了对称共振器或振动结构中作为载体模式的一对平面外退化sinθ/cosθ(摇摆)振动模式；以及
图8A、8B和8C是各自具有三个、五个、和六个支柱的适于三轴陀螺仪使用的振动结构的平面图。
具体实施方式
图4示出了用于在三轴上感应所施加速度的传感器的平面图。这种传感器仅通过实施例的方式公开，应该理解的是根据本发明也可使用其他设置。
如前所述，振动结构5具有基本为平面且基本环形的形状，具有外边缘7、支柱9和中央凸台20。所述结构5通过凸台20座落于一绝缘基板层21上，该绝缘基板层21可由具有绝缘氧化物表面层的玻璃或硅制成。所述振动结构5相对用作驱动和敏感元件的所有导体被保持在固定电压。
图4中用于使所述硅振动结构5以cos2θ载体模式振动的装置，包括：两个静电载体驱动元件22和两个静电载体模式敏感元件23。当以cos2θ模式振动时，所述两个静电载体驱动元件22和两个静电载体模式敏感元件23相对振动结构5的外边缘7分别位于0°和180°的位置和位于90°和270°的位置；并且位于靠近外边缘7最大径向运动点的所述外边缘7的径向外部。使用所述这些载体模式驱动元件22将振动结构5设置为振荡。位于载体模式反节点(carrier modeanti-nodal points)位置上的所述载体模式敏感元件23感应所述振动结构5的径向运动。
驱动元件可以是由电磁、静电、压电、热或光驱动，所述振动结构5的运动可以通过使用静电技术、电磁技术、压电技术或光技术来进行检测。
用于检测摇摆模式振动的装置，包括：x轴静电驱动元件24、x轴静电敏感元件25、y轴静电驱动元件26以及y轴静电敏感元件27，它们以彼此垂直的间隔彼此重叠地位于外边缘7附近，其中所述y轴驱动元件26、x轴元件25、y轴敏感元件27、以及x轴驱动元件24分别位于围绕外边缘7的0°、90°、180°和270°的位置上。
所述用于使振动结构5振动的装置，还包括：两个静电z轴响应模式驱动元件30和两个静电z轴响应模式敏感元件31，当以响应模式振动时，以上元件30、31处于振动结构5外边缘7的平面内，并位于所述振动结构径向外部、靠近外边缘7的最大径向运动点的位置。所述第一z轴响应模式驱动元件30、第一z轴响应模式敏感元件31、以及第二z轴响应模式驱动元件30、第二z轴响应模式敏感元件31分别位于围绕振动结构5的外边缘7的45°、135°、225°和315°的位置上。
所述x轴速度响应模式的摇摆运动由位于外边缘7下方的支承基板表面上的敏感元件25检测。类似地，通过位于外边缘7另一侧下方的x轴驱动元件24使该运动指零。类似地，所述y轴速度响应运动由敏感元件27检测，并被驱动元件26指零。各种驱动和敏感元件的传导位置通过设在基板层表面21上的轨线32连接到结合衬垫33上。随后将所述驱动和敏感元件电路连接到所述结合衬垫上。所述z轴速度响应模式运动由所述敏感元件31检测。图5示出了图4中传感器的截面图。这就更清楚的示出了所述平面内和导体表面的设计构图。
对于一个三轴陀螺仪，使用了一对如图6A和6B所示的平面内cos2θ/sin2θ振动模式以及如图7A和7B所示的一对退化平面外sinθ/cosθ(摇摆)振动模式。所述平面内cos2θ模式用作通常被维持在固定振动振幅的第一(主要)载体模式。当这种装置绕垂直于环平面的轴(z轴)转动时，产生Coriolis力，该Coriolis力将能量耦合到互补的平面内sin2θ响应模式中。当所述装置绕环平面内的y轴转动时，产生将能量耦合到平面外cos2θ响应模式中的Coriolis力。当所述装置绕环平面的x轴转动时，产生将能量耦合到平面外sin2θ响应模式中的Coriolis力。所产生的响应模式运动的振幅直接正比于围绕所述合适的输入轴施加的转动速度。
针对环形结构的动态特性、包括支柱运动的影响的详细分析，已经使提出简单易行的公式成为可能，该公式在大致均匀分隔放置并为维持与理想的振动模式对相匹配的频率所需的支柱数量方面，规定了可行的选择范围。
所述分析指出，对支柱数量的要求与以前所公开的要求相比更加不受限制。已经得出一个简单的公式，用来指出针对给定数量并且均匀分隔设置的支柱，哪一个模式会产生分频。这些公式适用于平面内和平面外模式，并在L＞2时有效。如果L≤2，则所有模式都被分频。对于偶数数量的支柱L，阶次(等级)模式N的分频仅仅在下述条件满足时产生：
N＝LK/2
其中K是整数。当K＝1时，产生最大分频，并且随着K的增加而减小。如果支柱的数量L为奇数，那么仅仅当N＝LK时产生分频。
K＝1时再次产生最大分频，并随着K值的增加而减小。
将这些一般原则应用到现有技术中的三轴设计中，表明支柱的数量无需被限制为八个。也可以构造成符合下述公式的给定支柱数量的平面环形结构共振器：
L≠NK
其中N为模式等级(Cos2θ模式时＝2)，K是值为0，1，2或3的整数。所述支柱应等角间隔开。
可被利用的支柱结构例如图8A、8B和8C所示由以120°间隔放置的三个支柱构成、以72°间隔放置的五个支柱构成、以60°间隔放置的六个支柱构成、以及以51.4°间隔放置的七个支柱构成等，该支柱结构确保了在平面内cos2θ/sin2θ模式和平面外cosθ/sinθ模式之间的所需模式频率匹配。尽管设有八个或更多的支柱可确保更佳的频率匹配，但是考虑到前述原因，设有七个以上的支柱是不利的。
在所有的共振器设计中，支柱的结合刚度要小于环形结构的刚度。这就确保了模式振动由环形结构控制，并有助于共振器免受通过凸台20耦合到结构的热感应应力的影响，因为所述热感应应力会不利地影响到结构的性能。当应用较少的支柱时，所需的支柱与环之间的柔性比可通过使用具有增加宽度的更长支柱结构来维持。这就使这些结构不易于受到制造过程中的尺寸公差误差的影响。这种误差导致在cos2θ/sin2θ模式和cosθ/sinθ模式对之间的分频，这对传感器性能是有害的。这就通常要求使用机械修整工艺，以便获得所需的性能标准。因此，考虑到成本和制造时间，极其希望减少对这种机械修整工艺的需要。

Claims (7)

1.一种三轴速度传感器，包括具有基本环形或圈形结构的基本上平面振动共振器，所述环形或圈形结构具有绕一共同轴线延伸的内圆周和外圆周；用于使所述共振器以Cos2θ振动模式振动的驱动装置；用于感应所述共振器响应于所述驱动装置的运动的载体模式敏感元件装置；用于检测所述共振器响应于绕z轴转动的运动的z轴响应模式敏感元件装置；用于使所述运动指零的z轴响应模式驱动装置；用于检测所述共振器响应于绕x轴转动的运动的x轴响应模式敏感元件装置；用于使所述运动指零的x轴响应模式驱动装置；用于检测所述共振器响应于绕y轴转动的运动的y轴响应模式敏感元件装置；用于使所述运动指零的y轴响应模式驱动装置；以及一支承装置，用于柔性支承所述共振器、并且允许所述共振器响应于驱动装置和所施加的转动、相对于该支承装置振动，其中所述支承装置仅包括L个支承杆，其中L≠2k且K＝0，1，2，或3。
2.如权利要求1所述的速度传感器，其特征在于，L＜8。
3.如权利要求1或2所述的速度传感器，其特征在于，每一个支承杆包括从一拱形部分的相对两端延伸的第一和第二线性部分。
4.如前述权利要求中任一个所述的速度传感器，其特征在于，所述支承杆基本上等角间隔开。
5.如前述权利要求中任一个所述的速度传感器，其特征在于，所述支承装置包括具有凸台的底座，所述基本环形或圈形结构的内圆周通过所述支承杆连接到所述凸台上，所述支承杆从所述环形或圈形结构的内圆周延伸到所述凸台上，从而使环形或圈形结构与底座间隔开。
6.如前述权利要求中任一个所述的速度传感器，其特征在于，所述支承杆的总刚度小于所述环形或圈形结构的刚度。
7.基本如前所述的并且参考和/或基本如附图4、5、8A、8B或8C所示的速度传感器。
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