CN1571914A - 振动陀螺速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种单轴速度传感器，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(1)，所说环形或圈形结构具有绕共同轴线(Z)延伸的内圆周(1a)和外圆周(1b)；用于使共振器(1)以Cos2θ振动模式振动的驱动装置(6)；用于感应共振器(1)响应所述驱动装置的运动的载体模式敏感元件装置(7)；用于检测由绕Z轴转动而产生的Sin2θ振动模式运动的敏感元件装置(9)；用于将所述运动指零的Sin2θ振动模式驱动装置(8)；以及支撑装置(2)，用于柔性地支撑共振器(1)和允许共振器响应于驱动装置或所施加的转动相对支撑装置(2)振动，其中支撑装置仅包括L个支撑杆，其中L≠2k，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轴上施加的速度的速度传感器。

背景技术

单轴Coriolis速度传感器中环形共振器的使用是众所周知的。这种装置的示例公开在EP0581407A1(Norris-金属环形)、GB9703357.5(感应陀螺仪)、GB9817347.9(电容陀螺仪)和US5450751(Delco环装置)中。如图3A和3B所示，这些装置使用了退化Cos2θ和Sin2θ模式，其相互间以45°角形成。在运行时，如图3A，其中之一模式作为载体振动模式被激活。如图3B，绕垂直于环平面的轴施加的转动产生Coriolis力，其将能量耦合到响应模式中。所述响应模式的运动振幅直接正比于所施加的速度。

在所有公知的示范性装置中，需要载体模式频率和响应模式频率名义上一致。支撑所述环结构的支柱结构具有作用在环连接位置上的单个弹簧重量的效果。这样，所述支柱结构会局部地改变重量和刚度，从而改变模式频率。所述支撑结构的数量和位置的设计必须使载体模式和响应模式动态不受丝毫的扰动。因此，当载体模式频率和响应模式频率都改变时，会产生等量的改变，而没有引入分频。为获得上述目的所需支柱的数量为4n，其中n为节点直径(nodal diameters)的数量(n＝2用于Cos2θ模式)，k是整数，且角间隔为90°/n。在所有这些装置中，上述结构通过使用8个等角间隔设置的支柱而获得。

所述支柱结构用来将环结构悬挂但也必须允许其本质上无阻尼振动的振荡。图1示出了这种类型的装置。如GB 9817347.9中公开的，其具有基本上环形或圈形结构的基本上平面振动共振器1，所说环形或圈形结构具有各自绕共同轴线Z延伸的内圆周1a和外圆周1b。设置有8个柔性支柱9，用于支撑共振器1，以及用于允许所述共振器1响应驱动装置以一种基本上无阻尼的振荡模式振动，从而允许共振器响应转动速度地相对牢固地固定的中央支撑凸台4的振动。每一个支柱2包括从中央凸台4向共振器1延伸的第一线性部分2¹，以及从共振器1的内圆周1a向共同轴线8延伸、但沿径向与所述第一线性部分2¹分开的第二线性部分2¹¹。所述第一线性部分2¹和第二线性部分2¹¹通过与振动共振器1同心的拱形部分2¹¹¹连接。所述三个支柱部分整体形成。

对于前述装置，所述支柱的径向和切向刚度应明显地小于环自身的刚度，从而模态振动由环结构控制。径向刚度主要由支柱的拱形部分22¹¹¹的长度控制。支柱的线性部分22¹和22¹¹控制了切向刚度。由于支柱结构的弧角由相临支柱的近端所限制，因而对这种支柱的设计，特别对于径向刚度，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，并且使相对环边缘(在环的平面上)较薄的支柱结构的使用成为必要。在机械结构生产过程中，这种尺寸的减小使所述结构更易于受到尺寸公差的影响。这将导致所述支撑支柱元件的重量和刚度的变化，这些变化会干扰动态模式的对称，从而在Cos2θ振动模式对之间产生分频。

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端部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。类似的考虑可以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。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供有一种单轴速度传感器，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元件装置(carrier mode pick-off means)；用于检测绕Z轴转动而产生的Sin2θ振动模式运动的敏感元件装置；用于将所述运动指零(nulling)的Sin2θ振动模式驱动装置；以及支撑装置，用于柔性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^k，K＝0，1，2或3。例如，可以是三个、五个、六个或七个支撑杆。

优选地，为简化制造过程，设置有可少于八个的支撑杆。

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。

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。

通过对包括支柱运动影响在内的环形或圈形结构动态的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灵活性，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。

附图说明

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

图1是不依据本发明的具有八个支柱的振动结构陀螺仪的平面图；

图2是图1中陀螺仪的端面视图详图；

图3A以图表示出了Cos2θ振动模式是一个作为载体模式的对称共振器或振动结构；

图3B是相对图3A以45°角但作为响应模式的Sin2θ模式的示意图；以及

图4、图5和图6是根据本发明，各自具有三个、五个和六个支柱的振动结构陀螺仪的平面图。

具体实施方式

如图1和图2所示，根据现有技术，适用于作为振动结构陀螺仪使用的一种角速度传感器，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1，所述环形或圈形结构具有内圆周1a和外圆周1b。如图2所示，所述内圆周1a和外圆周1b绕共轴Z延伸。传感器也包括支撑装置，其包括多个用于支撑共振器1并在驱动时允许共振器以基本上无阻尼的振荡模式振动的柔性支撑杆2，以便允许共振器1响应转动速度地相对支撑装置运动。所述支撑装置也包括由电绝缘材料制成并具有凸台4的底座3。由电绝缘材料制成的底座3具有电接地装置。如图2中所见，共振器1的内圆周1a通过从内圆周1a延伸到凸台4的支撑杆2与凸台4相连，从而环形或圈形的共振器结构与所述凸台4分开设置。所述支撑杆2的总刚度小于所述环形共振器1的刚度。在此方式下，在环形共振器1和支撑杆2的正下方区域内设置有空腔5，以允许环形共振器1和支撑杆2相对凸台4可自由悬置。在如图1和图2所示的现有技术传感器中提供有八个等角间隔设置的支撑杆2。

共振器结构以Cos2θ模式(见图3A)频率、通过静电驱动装置、使用静电敏感元件装置检测到的合成运动激活为谐振。

支撑杆2和共振器1由结晶硅制成，所述传感器也包括用于导致共振器1振动的静电驱动装置和用于感应共振器1运动的静电感应装置。所述静电驱动装置和静电感应装置包括由结晶硅制成的变频器形式的盘状元件6、7、8和9，其在与共振器1的相邻外圆周1b的间距11的位置上具有基本上垂直于共振器1平面的表面10。

所述静电驱动装置包括两个静电载体模式盘状驱动元件6，用于导致共振器1以Cos2θ载体模式振动，其中该载体模式驱动元件6，相对位于共振器1平面内的固定参考轴R位于0°和180°的位置。所述参考轴R从共振器1的几何中心到载体模式驱动元件6之一的中心位置选取。所述静电驱动装置也包括两个静电响应模式盘状驱动元件8，其相对参考轴R位于45°和225°的位置。

所述静电感应装置包括两个静电载体模式盘状敏感元件7，其相对参考轴R位于90°和270°的位置；以及用于感应共振器1响应传感器绕垂直于共振器1平面的轴、即Z轴转动的运动的两个响应模式盘状敏感元件9，其相对参考轴R位于135°和315°的位置。

当传感器绕Z轴转动时，Coriolis力将能量耦合到响应模式中，运动振幅直接正比于所施加的速度。这种运动通过敏感元件9来检测。速度感应的运动通过响应模式驱动元件8来指零，以使传感器运行在公知的对性能有利的闭环结构中。在这种运行模式中，所述指零力直接正比于所施加的速度。

如前述的驱动和敏感换能器是由结晶硅形成的相同的盘状元件。垂直于共振器1平面的盘表面10，与共振器1相邻部分的正对表面一起组成电容器。所述盘的对向孤角为40°，并在相邻传感器元件之间的角间隔为5°。电容器间距11在电容板区域保持在恒定值。变频器位置和共振器1的中央凸台4牢固地固定在包括电绝缘材料如玻璃的支撑底座3上。

共振器结构相对驱动和敏感元件保持在固定的直流偏压上。电连接从控制电路、通过接续线(未示出)形成在金属结合衬垫14上，该结合衬垫14在中央凸台4位置，附着到共振器结构的表面上。类似地，结合衬垫15在所述驱动和敏感元件的上表面上。

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，依据基本上均匀间隔放置、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，支柱数量的需求与以前所公开的数量相比更不易受到限制。指出哪一个模式会具有用于给定数量、均匀间隔设置支柱的分频(frequency split)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CosNθ模式，其中N为模式级，这些公式适于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。

将这些一般原则应用到现有技术中的单轴平面环形共振器设计中时，应用Cos2θ模式，导出支柱的数量不再限制为八个的结论。也可以构造成具有与下述公式相一致的支撑支柱结构的平面环形共振器：

L≠N^k

其中N为模式级(Cos2θ模式时＝2)，K是值为0，1，2或3的整数。支柱应该等角度间隔设置。

支撑结构包括以120°的角间隔设置的三个支柱、以72°的角间隔设置的五个支柱、以60°的角间隔设置的六个支柱、和以51.4°的角间隔设置的七个支柱等，如图4、5和6所示，其维持了所需模式频率的匹配，并适用于Coriolis速度传感器，因此可被利用。尽管设置有八个或更多的支柱可维持模式频率的匹配，但是考虑到前述原因，设置有多于七个支柱的结构是不利的。

在所有共振器设计中，支柱的结合刚度小于环结构的刚度。这就确保了模式振动由环结构所支配，且有助于共振器免受通过该结构的轴20耦合的并会负面影响结构性能的热感应应力的影响。当应用较少的支柱时，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Sin2θ和Cos2θ模式之间的分频，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利用尤其有必要。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迫切需要的。

Claims (7)

1.一种单轴速度传感器，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；用于使共振器以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元件装置；用于检测由绕Z轴转动而产生的Sin2θ振动模式运动的敏感元件装置；用于将所述运动指零的Sin2θ振动模式驱动装置；以及支撑装置，用于柔性地支撑共振器并允许共振器响应于驱动装置或所施加的转动相对支撑装置振动，其中支撑装置仅包括L个支撑杆，其中L≠2^k，K＝0，1，2或3。

2.如权利要求1所述的速度传感器，其特征是，L＜8。

3.如权利要求1或2所述的速度传感器，其特征是，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。

4.如前述权利要求中的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度间隔设置。

5.如前述权利要求中任一个所述的速度传感器，其特征是，所述支撑装置包括具有凸台的底座，所述基本上环形或圈形结构的内圆周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。

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

7.一种基本上与上面参考和/或如附图4，5和6所示的一样的速度传感器。

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