CN1571913A - 振动陀螺速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三轴速度传感器，包括具有基本上环形或圈形结构的基本上平面振动共振器(2)，用于导致共振器(2)以平面内Cos2θ振动模式振动的驱动装置(4)；用于感应共振器响应所述驱动装置的运动的载体模式敏感装置(5)；用于绕z轴转动而产生的平面内Sin2θ共振器运动的敏感装置(6)；用于将所述运动指零的驱动装置(7)；用于绕x轴转动而产生的平面外Sin3θ共振器运动的敏感装置(8)；用于将所述运动指零的驱动装置(9)；用于绕y轴转动而产生的平面外cos3θ共振器运动的敏感装置(10)；用于将所述运动指零的驱动装置(11)；以及用于可柔软地支撑共振器的支撑装置(9)。其中支撑装置仅包括L个支撑杆，其中L≠2^J×3^k，J＝0，1或2，K＝0或1，且L＜24。

Description

振动陀螺速度传感器

本发明涉及用于感应在施加三轴上的速度的速度传感器。

Coriolis速度传感器中平面环形共振器的使用是众所周知的。GB9620982.0公开了这样一种装置，其结合使用了如图1A和1B所示的一对平面内sin2θ/cos2θ振动模式和如图2A和2B所示的一对平面外sin3θ/cos3θ振动模式。所述平面内cos2θ模式作为典型地保持在固定振幅上的载体模式被激活。当所述装置绕垂直于环平面的轴(Z轴)转动时，产生的Coriolis力将能量耦合到附加的平面内sin2θ模式中。当所述装置绕环平面内的y轴转动时，产生的Coriolis力将能量耦合到平面外cos3θ响应模式中。当所述装置绕环平面内的x轴转动时，产生的Coriolis力将能量耦合到平面外sin3θ响应模式中。产生的响应模式运动的振幅相对合适的输入轴直接正比于所施加速度。GB9620982.0也公开了三轴速度传感器装置，其结合使用了如图3A和3B所示的一对平面内sin3θ/cos3θ振动模式和如图4A和4B所示的一对平面外sin2θ/cos2θ振动模式。所述平面内cos3θ模式作为典型地保持在固定振幅上的载体模式被激活。当所述装置绕垂直于环平面内的轴(z轴)转动时，感应的Coriolis力将能量耦合到附加的平面内sin3θ模式中。当所述装置绕环平面内的y轴转动时，产生的Coriolis力将能量耦合到平面外cos2θ响应模式中。当所述装置绕环平面内的x轴转动时，产生的Coriolis力将能量耦合到平面外sin2θ响应模式中。产生的响应模式运动的振幅与围绕合适的输入轴所施加的速度成正比。

对于前述装置，需要载体频率和三个响应模式频率在标称上一致。随着所述频率被精确地与响应模式振幅相匹配时，振动就通过结构的机械质量因子Q放大。这就不可避免地使结构公差更加严格。实践上，例如在合适位置通过增加或去掉材料来精确调节振动结构或共振器的平衡是必要的。这就调节了模式的刚度或质量参数，从而微小地改变了模式频率。当不产生与放大系数Q不相匹配的所述频率时，敏感元件可制成足够的敏感以提供满足要求的陀螺仪性能。

对于完美的由沿径向同向的材料制成的无支撑的环结构来说，任何给定对的平面内或平面外sinNθ/cosNθ模式对于任何值N将具有相同的频率。其中N为模式级。由于需要支撑环的支柱结构，这种退化会受到扰动。在现有技术的三轴速度传感器设计中，对于支柱的合理构造，支柱的数量和设置是这样的，其可保持平面内和平面外sinNθ/cosNθ模式的对称。这种结构可通过符合下列公式的支柱的数量得以获得：

L＝NxN，x4

其中N为平面内模式级，或者N为平面外模式级。当利用sin2θ/cos2θ模式和sin3θ/cos3θ模式的结合时，这就表明需要使用24个等角度间隔设置的支柱。共振器尺寸的设置使平面内模式对的频率与平面外模式对的频率相匹配。

所述支柱结构用来将环悬挂但也必须允许其平面内和平面外的振动在基本上都为无阻尼的振荡。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，从而模式振动由环结构决定。为获得所需的柔性比，所述支柱需比所述环的边缘宽度薄得多。图5A和5B示出了GB9620982.0中公开的使用了24个支柱的两种合适的支柱设置。在此设置中设置有S或C形支柱3，其从中央凸台13向外延伸到环2的内圆周上。所述支柱适应于平面内径向和切向的运动，也适应于平面外的运动。本领域的技术人员可以理解的是，对于可获得相同目的具体的支柱设计的其他变型是可行的。这些变型包括外部支柱的使用，其从所述环的外圆周径向延伸到外部支架(未示出)上。这种尺寸的减小使所述结构更易于受到机械结构制造过程中的尺寸公差的影响。这将导致所述支撑支柱元件的重量和刚度的变化，这些变化会干扰模式动态的对称，因而在平面内和平面外模式对中产生不希望的分频(frequency splitting)。

现有技术中公开的这种结构可以通过一些生产过程，由各种材料制成。当这些装置由金属制造时，所述装置可以使用线腐蚀技术方便地加工到高精确度以获得所需公差的精确尺寸。这种过程涉及在每个支柱的边缘和环结构周围顺序地将材料切割下来。从而，加工时间和生产成本相对支柱的数量成比例地增加。因此，减小支柱的数量是非常有益的。可将类似的考虑应用到使用可替换的过程的由其他材料制成的结构上。

能够设计平面环结构是所希望的。其中平面环结构，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，包括具有基本上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共同轴线延伸的内圆周和外圆周；用于导致共振器以平面内cos2θ振动模式振动的驱动装置；用于感应共振器响应所述驱动装置的运动的载体模式敏感装置；用于感应绕z轴转动而产生的平面内sin2θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；用于感应绕x轴转动而产生的平面外sin3θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；用于感应绕y轴转动而产生的平面外cos3θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；以及用于可柔性地支撑共振器和用于允许共振器响应于驱动装置或所施加的转动而相对支撑装置振动的支撑装置。其中支撑装置仅包括L个支撑杆，其中L≠2^Jx3^k，J＝0，1或2，K＝0或1，且L＜24。例如，可以是五个或七个支撑杆。

根据本发明的第二方面，提供有一种三轴速度传感器，包括具有基本上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共同轴线延伸的内圆周和外圆周；用于导致共振器以平面内cos3θ振动模式振动的驱动装置；用于感应共振器响应所述驱动装置的运动的载体模式敏感装置(carrier mode pick-off means)；用于感应绕z轴转动而产生的平面内sin3θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；用于感应绕x轴转动而产生的平面外sin2θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；用于感应绕y轴转动而产生的平面外cos2θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；以及用于可柔性地支撑共振器和用于允许共振器响应驱动装置或所施加转动而相对支撑装置振动的支撑装置。其中支撑装置仅包括L个支撑杆，其中L≠2^Jx3^k，J＝0，1或2，K＝0或1，且L＜24。例如，可以是五个或七个支撑杆。

优选地，为简化制造过程，设置有可少于二十四个的支撑杆。

每一个支撑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，所述支撑杆基本上等角间隔设置。

为方便，支撑装置包括具有凸台的底座，基本上环形或圈形结构的内圆周通过支撑杆连接到凸台上，所述支撑杆从环形或圈形结构的内圆周延伸到所述凸台上，从而使所述环形或圈形结构与底座分开放置。

在该实施方案中，支撑杆的总刚度小于环形或圈形结构的刚度。

作为包括支柱运动影响的环形或圈形结构的动态特性详细分析的结果而获得前述定义的公式。本发明可提供有增加的设计挠性，其允许更大的支柱柔性(相对环结构)，同时可施加增加的支柱尺寸(在环平面内)。这种设计可减少受尺寸公差影响的敏感度，且可允许更经济的制造。

为更好地理解本发明以及示出本发明是怎样实施的，现结合附图并通过示例进行说明，其中：

图1A和1B示出了平面内sin2θ和cos2θ模式；

图2A和2B示出了平面外sin3θ和cos3θ模式；

图3A和3B示出了平面内sin3θ和cos3θ模式；

图4A和4B示出了平面外sin2θ和cos2θ模式；

图5A和5B示出了根据现有技术的两种可行的24个支柱的结构；

图6示出了根据本发明的具有5个支柱的共振器平面图；

图7示出了根据本发明的具有7个支柱的共振器平面图；

图8示出了现有技术中三轴速度传感器的平面图；

图9示出了图8中所示传感器的截面图；以及

图10示出了现有技术中三轴传感器的一个可替换的实施方案的平面图。

图8示出了用于在三轴上感应施加速度的传感器的平面图。这种已知的传感器仅通过实施例的方式描述，根据本发明，其他设置的使用应该是可以理解的。

该实施例结合使用了平面外sin3θ/cos3θ模式和平面内sin2θ/cos2θ模式。环2的位置由虚线示出。这种平面内cos2θ载体模式使用驱动元件4驱动进行振荡，该驱动元件4的有效中心相对固定参考轴R，绕环2的外圆周位于0°和180°位置上。对每一个元件来说，垂直于正对环圆周的环2平面的表面与形成其他盘的环圆周的正对部分形成电容器的盘。所述环2相对驱动元件4保持在固定电势上。以载体模式频率施加到驱动元件盘上的振荡电压产生静电力，将环2固定在振荡中。类似地，用于相对固定参考轴R位于90°和270°上的载体模式的敏感元件5与正对环部分形成电容器，在电容器间隙变化时，用于检测环2的运动。相对固定参考轴R位于45°和225°的敏感元件6用于当陀螺仪绕z轴转动时，检测平面内sin2θ响应模式的振幅。相对所述参考轴R位于135°和315°的Z轴驱动元件7，可用于将模式运动指零以允许陀螺仪在力反馈结构(forced feedback configuration)中运行。当在此模式内运行时，指零驱动力正比于所施加速度。这种运行模式相比开环模式提供了性能优势。

提供x轴速度敏感度的平面外cos3θ响应模式相对所述参考轴R沿环圆周在0°、60°、120°、180°、240°和300°的位置上设有反节点(anti-nodes)。y轴sin3θ响应模式相对所述参考轴R沿环圆周在30°、90°、150°、210°、270°和330°的位置上设有反节点。驱动和敏感元件可位于相邻所述这些位置的任何合适结合处。方便地，在边缘的正下方设置有12个盘状元件，以便在所述盘和所述环下表面的平行正对部分之间形成电容器。方便地，所述盘应延伸到所述环边缘的内端和外端上。因此，载体模式的平面内运动不会改变盘的有效面积，并且不会由于疏忽被这些盘状元件检测到。位于0°、120°和240°位置的元件8作为x轴敏感元件使用。由这些元件形成的信号是同相的，并可方便地加和在一起以在检测模式运动中得到提高的敏感度。相对参考轴R位于60°、180°和300°位置的盘状元件9，作为具有施加在所有这些元件上的相同驱动电压的驱动元件，以将所述运动指零来有助于力反馈的运行。类似地，相对参考轴R位于30°、150°和270°位置的盘状元件10是y轴敏感元件，其具有相对参考轴R位于90°、210°和330°位置的盘状元件11，这些盘状元件形成用于上述模式的驱动元件。

图9示出了沿着y轴穿过图8和穿过共振器环2中心的截面图，其中示出装置的结构细节。所述x和y轴驱动和敏感元件为电绝缘基板层12表面上的传导位置。这些元件位置通过轨线(track)连接到结合衬垫上(未示出)，它们可被电连接到控制电路上。环2通过支柱3连接到中央支撑底座13上。该底座延伸到环2的下面，并牢固地结合在所述基板层12上，从而环和支柱可自由悬挂在基板层12上。平面内模式驱动和敏感元件牢固地结合在基板层12上，其利用根据需要提供的磁轨和结合衬垫，使得与控制电路的连接成为可能。

对这种结构的修改是可行的。牢固地固定在共振器环2上的第二绝缘基板层的加入，以及对平面外驱动和敏感元件电容器盘排列的复制会增加陀螺仪沿x和y轴的敏感度。然而，这将使制造过程复杂化，而且不会改变陀螺仪的本质上的设计特征或功能性。

一种已知的三轴陀螺仪可以结合使用平面外sin2θ和cos2θ响应模式和平面内sin3θ和cos3θ模式。对于这种实施方案，必须保持平面内sin3θ和cos3θ模式，和平面外sin2θ和cos2θ响应模式对的退化。图10示出了所述驱动和敏感元件的取向的示意图。除了驱动和敏感元件的布局外，陀螺仪的布局在很大程度上与前述示例中的布局一致。所述平面内cos3θ载体驱动装置元件14相对固定参考轴R位于0°、120°和240°的位置上，而敏感装置元件15相对固定参考轴R位于60°、180°和300°的位置上。Z轴平面内sin3θ响应模式驱动元件16相对固定参考轴R位于30°、150°和270°的位置上，而敏感元件17相对固定参考轴R位于90°、210°和300°的位置上。所述平面外x轴cos2θ响应模式敏感元件18相对固定参考轴R位于0°、和180°的位置上，而指零驱动元件19相对固定参考轴R位于90°和270°的位置上。所述平面外y轴sin2θ敏感元件20相对固定参考轴R位于45°、和225°的位置上，而y轴指零驱动元件21相对固定参考轴R位于135°和315°的位置上。

对于一个三轴陀螺仪，使用一对如图1A和1B所示的平面内cos2θ/sin2θ振动模式和如图2A和2B所示的一对退化平面外sin3θ/cos3θ振动模式。平面内cos2θ模式作为可典型地维持在固定振动振幅上的主要载体模式。当这种装置绕垂直于环平面的轴(z轴)转动时，产生的Coriolis力将能量耦合到附加的平面内sin2θ响应模式中。当所述装置绕环平面内的y轴转动时，产生的Coriolis力将能量耦合到平面外cos3θ响应模式中。当所述装置绕环平面的x轴转动时，产生的Coriolis力将能量耦合到平面外sin3θ响应模式中。产生的响应模式运动的振幅相对于合适的输入轴直接正比于所施加的转动速度。

通过对包括支柱运动影响的环结构动态特性的详细分析，使简单公式的开发成为可能。这种简单化的公式，依据基本上均匀放置、用于保持与所期望振动模式对相匹配频率的所需支柱数量，说明了可行的选择范围。

分析指出，支柱数量的要求与以前所公开的数量相比更不易受到限制。用于指出哪一个模式对于给定数量、均匀设置支柱会具有分频的简单公式已经导出。这些公式广泛地适用于平面内和平面外模式，并适于L＜2的情况。如果L≤2，所有模式都被分频。对于具有偶数量的支柱，L，用于N级模式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L的数量为奇数，那么仅仅当N＝LK时产生分频。再一次地，K＝1时产生最大分频，并随着K值的增加而减小。

如本文所述，通过结合使用平面外sin3θ/cos3θ和平面内sin2θ/cos2θ模式，或者结合使用平面外sin2θ/cos2θ和平面内sin3θ/cos3θ模式的设计，在共振器的设计中可应用上述原理。这就导出用于所述结构的支柱的数量不再限制为24个的结论。也可以构造成与下述公式相一致的平面形共振器：

L≠2^Jx3^k

其中J为恒定值0，1或2，K值为恒定值0或1，且L＜24。所述支柱应等角间隔设置。如图6和7所示，本发明中使用了包括以72°的角间隔设置的5个支柱、以51.4°的角间隔设置的7个支柱等的支柱结构，它们都维持了用于所述平面内和平面外模式所需模式频率的匹配。尽管更多支柱的使用是可行的，考虑到前述原因，使用减少数量的支柱是有利的。

如图6和图7所示的支柱结构仅当使用减少数量支柱时是可行的。这些结构包括从中央凸台13向外延伸的第一线性径向部分9′，从环的内圆周向内延伸但与所述第一部分沿径向分开设置的第二线性部分9。所述这两个线性部分通过拱形部分9″相连接，从而所述三个线性部分整体形成。共振器结构的平面内径向刚度主要由拱形部分9″决定。平面内切向刚度主要由线性部分9′和9决定。所有部分在决定平面外刚度时都起到一部分作用。当需要较多数量支柱时，所述拱形部分9″的长度严重的受到临近支柱近端的限制。因此，除非支柱数量比24少得多，使用所述支柱来维持平面内径向柔性是不可能的。这种设计在现有技术中是公知的。

在所有共振器设计中，支柱的结合刚度需小于环结构的刚度。这就确保了模式振动是由环结构所决定，且有助于使共振器免受通过结构轴13耦合的热感应应力的影响。当施加较少的支柱时，所需支柱与环的柔性比可通过使用增加宽度的更长支柱结构来保持。这就使制造过程中这些结构不易于受到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，其对传感器性能是有害的。这就使得为获得所需的性能标准的机械修整过程的使用尤其有必要。因此，考虑到成本和制造时间，减少用于这种机械修整的过程是极为理想的。

Claims (8)

1.一种三轴速度传感器，包括具有基本上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共同轴线延伸的内圆周和外圆周；用于引起共振器以平面内cos2θ振动模式振动的驱动装置；用于感应共振器响应所述驱动装置的运动的载体模式敏感装置；用于感应绕z轴转动而产生的平面内sin2θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；用于感应绕x轴转动而产生的平面外sin3θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；用于感应绕y轴转动而产生的平面外cos3θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；以及支撑装置，用于可柔软地支撑共振器和用于允许共振器响应于驱动装置或所施加的转动而相对支撑装置振动，其中支撑装置仅包括L个支撑杆，其中L≠2^J×3^k，J＝0，1或2，K＝0或1，且L＜24。

2.一种三轴速度传感器，包括具有基本上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共同轴线延伸的内圆周和外圆周；用于引起共振器以平面内cos3θ振动模式振动的驱动装置；用于感应共振器响应所述驱动装置的运动的载体模式敏感装置；用于感应绕z轴转动而产生的平面内sin3θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；用于感应绕x轴转动而产生的平面外sin2θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；用于感应绕y轴转动而产生的平面外cos2θ共振器运动的敏感装置；用于将所述运动指零的驱动装置；以及支撑装置，用于可柔软地支撑共振器和用于允许共振器响应于驱动装置或所施加的转动而相对支撑装置振动，其中所述支撑装置仅包括L个支撑杆，其中L≠2^J×3^k，J＝0，1或2，K＝0或1，且L＜24。

3.如权利要求1或2所述的速度传感器，其特征是，L＜24。

4.如权利要求1至3中任一个所述的速度传感器，其特征是，每一个支撑杆包括从拱形部分的相对两端延伸的第一和第二线性部分。

5.如前述权利要求中任一个所述的速度传感器，其特征是，所述支撑杆基本上等角间隔设置。

6.如前述权利要求中任一个所述的速度传感器，其特征是，所述支撑装置包括具有凸台的底座，基本上环形或圈形结构的内圆周，其通过所述支撑杆连接到凸台上，所述支撑杆从所述环形或圈形结构的所述内圆周延伸到所述凸台上，从而使所述环形或圈形结构共振器与所述底座间隔设置。

7.如前述权利要求中任一个所述的速度传感器，其特征是，所述支撑杆的总刚度小于所述环形或圈形结构共振器的刚度。

8.基本上如本发明前述参考和/或如附图6和7所示的一样说明的速度传感器。

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