DE10006931A1

DE10006931A1 - Mikrokreisel

Info

Publication number: DE10006931A1
Application number: DE10006931A
Authority: DE
Inventors: Kyu-Yeon Park
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: US6301963B1; KR100363786B1; JP2000337885A; JP3307907B2; DE10006931B4; KR20000075419A

Abstract

Es wird ein Mikrogyroskop beschrieben, bei dem eine dreiteilige Schwingmasse in Schwingungen versetzt wird. Die Kräfte, die von äußeren Schwingungen übertragen werden, werden minimiert, so dass der Einfluss von äußeren Schwingungen minimal ist. Der Mikrokreisel enthält eine Innenmasse (110), die erregbar innerhalb eines Außenrahmens (120) gegenüber von stabförmigen elastischen Körpern (130) angeordnet ist. Eine Mehrzahl von Kämmen (150) ist an der Innenmasse (110) ausgebildet, wobei sich die Kämme (150) in Richtung der y-Achse erstrecken. Eine Mehrzahl von Messfühlern (170) ist zwischen den Kämmen (150) angeordnet, wobei die Messfühler (170) an einer Halteeinrichtung (160) angeordnet sind. Die Innenmasse (110) ist über elastische Körper (130) mit den Außenmassen (210) und (210') verbunden. Auf diese Weise kann der Einfluss von äußeren Schwingungen minimiert werden, und der Reibungsverlust der Halteeinrichtung kann ebenfalls minimiert werden, so dass das Auflösungsvermögen des Mikrokreisels verbessert wird.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrogyroskop, bei dem eine dreiteilige Schwingmasse in Schwingungen versetzt wird. Die drei entgegengesetzt zueinan der schwingenden Massen sind gleich, so dass die durch äußere Schwingungen übertragenen Kräfte minimiert sind, so dass der Einfluss von äußeren Schwingun gen minimiert ist.

Hintergrund der Erfindung

Im Allgemeinen werden Sensoren zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit von Inertialkörpern weitverbreitet als Teile von Navigationseinrichtungen für Schiffe, Flugzeuge und dergleichen verwendet. Gegenwärtig wird dieses Gerät auch bei Navigationseinrichtungen für Automobile, sowie bei Hochleistungsvideokameras zum Ausgleich von Schwingungen der Hand eingesetzt.

Der herkömmliche Kreisel, der für militärische Zwecke und für Flugzeuge einge setzt wird, wird aus einer Vielzahl von Präzisionsbauteilen hergestellt und in einem komplizierten Herstellungsvorgang zusammengebaut, so dass eine präzise Funk tion möglich wird. Die Herstellungskosten sind jedoch hoch, und das Gerät ist sehr groß, so dass es nicht in der allgemeinen Technik und für Hauselektrogeräte ver wendet werden kann.

Vor kurzem wurde ein kleiner Kreisel entwickelt, in dem ein piezoelektrisches Ge rät an einem dreieckigen, prismenförmigen Träger angebracht wurde. Dieses Ge rät wird als Sensor für die Schwingungen der Hand bei einer kleinen Videokamera benutzt. Weiterhin wurde ein kleiner Kreisel mit einer verbesserten zylindrischen Trägerstruktur entwickelt, um die Schwierigkeiten bei dem Kreisel mit dem piezo elektrischen Gerät zu überwinden.

Diese zwei Arten von kleinen Kreiseln erfordern jedoch präzise hergestellte Ein zelteile, so dass die Herstellung schwierig ist und die Herstellungskosten hoch sind. Die beiden erwähnten Kreiselarten umfassen eine Vielzahl mechanischer Einzelteile, so dass die Erzeugung eines integrierten Schaltkreises schwierig ist.

Das Prinzip des Kreisels ist wie folgt. Wenn ein rotierender Inertialkörper, der in der Richtung einer ersten Achse rotiert oder schwingt, in den Einfluss einer Win kelgeschwindigkeit in einer zweiten Achsenrichtung gerät, welche senkrecht zu der ersten Achsenrichtung ist, dann erfasst der Kreisel eine Corioliskraft, die in einer dritten Achsenrichtung wirkt, welche senkrecht zu der ersten und der zweiten Achsenrichtung ist.

In diesem Zustand, wenn die Kräfte, die auf den Inertialkörper einwirken, ausge glichen werden sollen, muss die Erfassung der Winkelgeschwindigkeit präziser durchgeführt werden. Insbesondere ist eine Einrichtung für den Ausgleich der Kräfte erforderlich, wenn die Linearität und die Bandweite vergrößert werden sol len.

Ein herkömmlicher Kreisel gemäß dieser Technik ist in der US-Patentschrift 5 747 690 dargestellt, sowie in Fig. 1.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird eine Erregung in horizontaler Richtung durch die Kämme 41 erzeugt. Auf die gleiche Weise können die Coriolisschwingungen einer Schwebemasse 50, die in senkrechter Richtung (y-Achse) induziert werden, durch Messfühler 38 erfasst werden.

Unter dieser Voraussetzung, in dem Fall, wenn eine Wechselspannung an die Kämme 39, 40, 41 und 42 auf beiden Seiten der Pendelmasse 50 angelegt wird, um die Pendelmasse in Richtung der x-Achse zum Schwingen zu bringen, wenn eine Winkelgeschwindigkeit in Richtung der z-Achse einwirkt, dann wird die Masse mit derselben Frequenz durch die Corioliskraft in Richtung der y-Achse in Schwin gungen versetzt. Die Größe der Schwingungen in Richtung der y-Achse kann aus der dazugehörigen Schwingungsfrequenz durch die Messfühler 38 ermittelt wer den. Die Größe der Schwingungen ist proportional zu der einwirkenden Winkelge schwindigkeit. Auf diese Weise werden die Signale der Winkelgeschwindigkeit erhalten.

In dem oben beschriebenen Fall schwingt die Masse jedoch zu einer Seite, daher werden die Schwingungen sehr stark auf die Halterung übertragen. Daraus resul tieren mechanische Verluste, und die Bandweite der Erregerschwingung wird von äußeren Schwingungen beeinflusst.

In dem oben beschriebenen Mikrokreisel kommt es durch die starke Übertragung von Schwingungen auf die Halterung 31 zu einer negativen Beeinflussung des Anstiegs der Empfindlichkeit des Kreisels. Weiterhin verschlechtert sich die Linea rität durch die Größe der Winkelgeschwindigkeit. Dieses führt zu einer Verminde rung des Auflösungsvermögens des Kreisels und zu einer Verkürzung der Le benserwartung des Kreisels.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die zuvor beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Technik zu überwinden.

Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Mikrogyroskop anzugeben, in dem eine Schwingmasse in Schwingungen versetzt wird, indem sie in drei Teile geteilt ist. Die drei Teile schwingen entgegengesetzt zueinander und sind gleich, so dass die von äußeren Schwingungen übertragenen Kräfte minimiert werden, so dass der Einfluss von äußeren Schwingungen minimiert wird, und so dass der Reibungsverlust der Halterungen minimiert wird, wobei das Auflösungsvermögen des Kreisels verbessert wird, und die Lebenserwartung des Kreisels verlängert wird.

Um das oben genannte Ziel zu erreichen, enthält der erfindungsgemäße Mikro kreisel: einen Innenrahmen als Innenmasse, erregbar angebracht innerhalb eines Außenrahmens, die gemeinsam erregt werden; eine erste Mehrzahl von Kämmen, seitlich und in y-Achsenrichtung an beiden Seiten des Innenrahmens und inner halb des Innenrahmens angebracht; Messfühler für die senkrechte Richtung, an geordnet zwischen der ersten Mehrzahl der Kämme in bestimmten Abständen, und an Messfühlerhalteeinrichtungen angeordnet; Außenmassen, die an beiden Seiten der Innenmasse angeordnet sind; elastische Körper, die auslenkbar zwi schen dem Außenrahmen und den Außenmassen angeordnet sind; Schwingein richtungen, die sich seitlich der Außenmassen erstrecken; eine zweite Mehrzahl von Kämmen, die seitlich an den Schwingeinrichtungen angeordnet sind; Erre gern, die Auslenkungen durch Zufuhr einer Spannung erzeugen; und eine dritte Mehrzahl von Kämmen, die jeweils zwischen der zweiten Mehrzahl der Kämme der Schwingeinrichtungen angeordnet sind, um die Auslenkungen aufgrund von Kapazitätsunterschieden zwischen den Erregern zu erfassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das oben angegebene Ziel und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung wer den klarer durch die genaue Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei spiels der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:

Fig. 1 eine Draufsicht eines herkömmlichen Mikrokreisels zeigt;

Fig. 2 eine Draufsicht ist und den Aufbau eines Mikrokreisels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 3 das Detail A von Fig. 2 darstellt;

Fig. 4 die elastischen Körper darstellt, die an vier Ecken der Innenmasse des Kreisels angebracht sind, um die Außenmassen nach der vorlie genden Erfindung zu verbinden;

Fig. 5 den Schwingungszustand des erfindungsgemäßen Kreisels schema tisch darstellt.

Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 2 ist eine Draufsicht und zeigt den Aufbau des Mikrokreisels gemäß der vor liegenden Erfindung. Fig. 3 stellt das Detail A von Fig. 2 dar.

Die Schwingeinrichtung der erfindungsgemäßen Kreiseleinrichtung 100 enthält: eine Innenmasse 110 mit einem Coriolissensor; Erregermassen 210 und 210', an geordnet an beiden Seiten eines Außenrahmens 120.

Die Innenmasse 110 enthält: einen Innenrahmen 140, der gemeinsam mit dem Außenrahmen 120 erregt wird, elastische Körper 130, die innerhalb des Außen rahmens 120 an vier Stellen vorne, hinten, links und rechts am Außenrahmen 120 angeordnet sind; eine Mehrzahl von Kämmen 150, die an beiden Seiten und in nerhalb des Innenrahmens 140 seitlich und in Richtung der y-Achse angeordnet sind; eine Mehrzahl von Messfühlern 170, angeordnet zwischen den Kämmen 150 in Richtung der y-Achse, wobei die Messfühler 170 von einer Halteeinrichtung 160 gehalten werden.

Bei der Stromzufuhr durch die Halteeinrichtung 160 werden elektrostatische Kräfte zwischen den Messfühlern 170 der Halteeinrichtung 160 und den Kämmen 150 des Innenrahmens 140 erzeugt. Der Innenrahmen 140 wird durch die elektrostati schen Kräfte ausgelenkt und die stabförmigen elastischen Körper 130, die zwi schen dem Außenrahmen 120 und dem Innenrahmen 140 angeordnet sind, len ken den Außenrahmen 120 gleichermaßen in vertikaler Richtung aus. In diesem Zustand kann die Erregung durch den Kapazitätsunterschied zwischen den Käm men 150 des Innenrahmens 140 und den Messfühlern 170 der Halterung 160 er fasst werden. Weiterhin wird die Bewegung des Außenrahmens 120 in Richtung der y-Achse durch die Corioliskraft verhindert.

Die Außenmassen 210 und 210', die jeweils an beiden Seiten der Innenmasse 110 angeordnet sind, enthalten Schwingeinrichtungen 220, und sind jeweils an die Kämme 240 angeschlossen. Jede der Schwingeinrichtungen 220 wird durch die elastischen Körper 230 und den Außenrahmen 120 erregt.

Die Kämme 240 der Schwingeinrichtung 220 sind mit Abstand zwischen weiteren Kämmen 260 angeordnet, die mit Erregern 250 verbunden sind, die durch eine angelegte Spannung ausgelenkt werden. Die Schwingeinrichtung wird durch die elektrostatischen Kräfte, die zwischen den Kämmen 240 der Schwingeinrichtung 220 und den Kämmen 260 der Erreger 250 entstehen, ausgelenkt. Der Auslen kungszustand kann durch den Kapazitätsunterschied zwischen den Kämmen 240 der Schwingeinrichtung 220 und den Kämmen 260 der Erreger 250 erfasst wer den.

In diesem Zustand befindet sich der Erreger 250 für die Schwingungserregung der Schwingeinrichtung 220 in seitlicher und horizontaler Richtung (x-Achse) parallel zur Längsrichtung der Schwingeinrichtung 220. Die Kämme 260, die mit dem Er reger 250 verbunden sind, befinden sich zwischen den Kämmen 240 der Schwingeinrichtung 220.

Fig. 4 zeigt die elastischen Körper, die an beiden Seiten der Innenmasse des Kreisels angeordnet sind, um die Außenmassen erfindungsgemäß zu verbinden. Fig. 5 stellt den Schwingzustand des erfindungsgemäßen Kreisels schematisch dar.

Wie in diesen Figuren dargestellt ist, ist jeder der elastischen Körper 230, bei de nen es sich um flache elastische Körper handelt, an einer Halterung 270 angeord net. Die Außenmassen 210 und 210' und die Innenmasse 110 werden entgegen gesetzt zueinander in horizontaler Richtung (x-Achse) durch die elastischen Kör per 230 bewegt, wenn eine Spannung über die Erreger 250 der Außenmassen 210 und 210' angelegt wird. In diesem Zustand, wenn eine Winkelgeschwindigkeit von außen einwirkt, schwingt die Innenmasse 110 in Richtung der x-Achse mit einer Größe, die proportional zu der einwirkenden Winkelgeschwindigkeit ist.

Wenn die Außenmassen 210 und 210' und die Innenmasse 110 schwingen, schwingen sie in entgegengesetzten Richtungen. Die aktiven Massen sind dabei einander gleich.

Im Folgenden wird die Funktion der vorliegenden Erfindung erläutert.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist die Innenmasse 110 eine Schwingeinrichtung mit einer Masse M. Die Außenmassen 210 und 210' besitzen eine Masse M/2 und dienen als Schwingeinrichtungen. Sie sind an den elastischen Körpern 230 in x- Achsenrichtung und an den stabförmigen elastischen Körpern 130 in y- Achsenrichtung befestigt. In dem oben beschriebenen Schwingungssystem kann eine äußere Kraft, die die Schwingeinrichtungen in Richtung der x-Achse erregt, durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

f = Fsin(ωt)

Die Verschiebung x und die Geschwindigkeit V in Richtung der x-Achse können durch die folgenden Formeln ausgedrückt werden:

wobei x die Verschiebung in Richtung der x-Achse ist, und Vx die Geschwindigkeit der Schwingeinrichtung in Richtung der x-Achse ist. Die Verschiebung in Richtung der y-Achse aufgrund der Corioliskraft, die proportional zu der einwirkenden Win kelgeschwindigkeit ist, wird durch die folgende Formel berechnet:

wobei Qx und Qy Konstanten in Richtung der x-Achse und der y-Achse sind, und Ω die einwirkende Winkelgeschwindigkeit ist.

Daher kann die Winkelgeschwindigkeit des Inertialkörpers gemessen werden, wenn die y-Verschiebung ermittelt ist.

In der erfindungsgemäßen Kreiseleinrichtung 100 entspricht die Masse M den Massen M und M/2 der Schwingeinrichtungen. Wenn eine Wechselspannung an gelegt wird, die der Eigenfrequenz der Erreger 250 und 250' entspricht, entstehen aufgrund der elektrostatischen Kräfte zwischen den Kämmen Schwingungen in Richtung der x-Achse.

Derartige Kräfte der Erreger 250 können durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

wobei f die Erregerkraft ist, ε ist die dielektrische Konstante der Luft, t ist die Dicke des Kamms, n_x ist die Anzahl der Kammpaare, V ist die Erregerspannung, und h ist der Abstand zwischen den Kämmen.

Die Schwingeinrichtung, auf die die definierte Erregerkraft einwirkt, schwingt mit ihrer Eigenfrequenz. Um diese Eigenfrequenz aufrechtzuerhalten, wird aufgrund der erfassten Bewegungen eine Spannung erzeugt, die die nicht stabilen Rege lungsbedingungen erfüllt, so dass die Erreger 250 und 250' aktiviert werden.

Wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf die Schwingeinrichtung einwirkt, führt die Schwingeinrichtung oszillierende Bewegungen in Richtung der x-Achse aus, und zugleich führt sie eine Verschiebung in Richtung der y-Achse aus. Diese Ver schiebung bewirkt eine Veränderung der Kapazität zwischen den Messfühlern 170 und den Kämmen 150 des Rahmens 140, der die Schwingeinrichtung bildet.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, bestehen die Messfühler 170 aus Anoden und Kathoden. Die Veränderungen der Kapazitäten der Anoden sind entgegengesetzt zu den Veränderungen der Kapazitäten der Kathoden. Wenn die Unterschiede zwischen den Kapazitäten der Anoden und der Kathoden berechnet werden, kann daher die Verschiebung der Schwingeinrichtung in Richtung der y-Achse ermittelt werden.

Der Unterschied ΔC der Kapazitäten zwischen den Anoden und den Kathoden wird durch die folgende Formel berechnet:

wobei n_S die Anzahl von Paaren der Messfühler 170 ist, ε ist die dielektrische Kon stante der Luft, l_S ist die Länge des Messfühlers, t ist die Dicke zwischen den Kämmen 150 des Innenrahmens 110 (die Schwingeinrichtung) und den Messfüh lern 170 der Halterungen für die Elektroden 140 und 160, und h_S ist der Abstand zwischen dem Messfühler und der Schwingeinrichtung.

Wenn die übliche Schaltung zum Erfassen der Kapazitätsänderungen benutzt wird, dann können die Spannungssignale, die proportional zu den Kapazitätsände rungen sind, ermittelt werden, so dass die Signale der Winkelgeschwindigkeit er mittelt werden können.

Die Verschiebung in Richtung der y-Achse durch die Corioliskraft muss maximiert werden, da die Leistung des Kreisels davon abhängt. Zu diesem Zweck müssen die Eigenfrequenzen der x-Achse und der y-Achse aneinander angepasst werden.

In der vorliegenden Erfindung wird die Steifigkeit in Richtung der y-Achse durch die elektrostatischen Kräfte der Messfühler 170 beeinflusst. Die Eigenfrequenz kann durch die Nutzung dieser elektrostatischen Kräfte eingestellt werden. Die Eigenfrequenz in Richtung der y-Achse kann durch die folgende Formel ausge drückt werden:

wobei k_b die Konstante des elastischen Körpers ist. k_n ist die Konstante desjenigen elastischen Körpers, der durch die elektrostatischen Kräfte zwischen den Mess fühlern und den Kämmen als Schwingeinrichtung erzeugt wird.

Die Konstante k_n kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

wobei V_b die den Messfühlern zugeführte Vorspannung ist.

Die Eigenfrequenz der y-Achse kann durch das Justieren der Vorspannung an die Eigenfrequenz der x-Achse angeglichen werden.

Wenn die Vorspannung der Messfühler in der oben beschriebenen Weise variiert wird, ändert sich das Ausgangssignal des Kreisels. Aus diesem Grund wird die Vorspannung der Meßfühler auf eine bestimmte Art und Weise festgehalten. An schließend kann eine exakte Einstellung durchgeführt werden, indem ein separa ter Messfühler zum Einstellen der Eigenfrequenz verwendet wird.

Nach der zuvor beschriebenen Erfindung wird eine Schwingmasse in Schwingun gen versetzt, indem sie in drei Teile eingeteilt ist, wobei die drei entgegengesetzt schwingenden Massen einander gleich sind, so dass die von äußeren Schwingun gen übertragenen Kräfte minimiert sind, und so dass der Einfluss von äußeren Schwingungen minimiert ist, und so dass der Reibungsverlust der Halteeinrichtun gen minimiert ist, so dass das Auflösungsvermögen des Kreisels verbessert wird und die Lebenserwartung des Kreisels verlängert wird.

Die vorliegende oben beschriebene Erfindung basiert auf bevorzugten Ausfüh rungsbeispielen und den beigefügten Zeichnungen, aber es sollte für einen Fach mann klar sein, dass vielfältige Änderungen und Modifikationen hinzugefügt wer den können, ohne von dem Geist und dem Gebiet der vorliegenden Erfindung ab zuweichen, die durch die Patentansprüche definiert wird.

Claims

1. Mikrokreisel, umfassend:
einen Innenrahmen als Innenmasse (110), erregbar angeordnet innerhalb eines Außenrahmens (120), um gemeinsam erregt zu werden,
eine erste Mehrzahl von Kämmen (150), angeordnet seitlich und in Rich tung der y-Achse beiderseits und innerhalb des Innenrahmens (110);
Messfühler (170) für die senkrechte Richtung, angeordnet zwischen der ersten Mehrzahl der Kämme (150) in bestimmten Abständen, gehalten an Halteeinrichtungen (160) für die Messfühler (170);
Außenmassen (210, 210'), die beiderseits der Innenmasse (110) angeord net sind;
elastische Körper (230), die erregbar zwischen dem Außenrahmen (120) und den Außenmassen (210, 210') angeordnet sind;
Schwingeinrichtungen (220), die sich seitlich der Außenmassen (210) erstrecken;
eine zweite Mehrzahl von Kämmen (240), beiderseits der Schwingeinrich tungen (220) angeordnet;
Erreger (250) zur Erzeugung von Auslenkungen durch Anlegen einer Span nung; und
eine dritte Mehrzahl von Kämmen (260), jeweils zwischen der zweiten Mehrzahl der Kämme (240) und den Schwingeinrichtungen (220) angeord net, um die Auslenkungen durch Kapazitätsunterschiede zwischen den Er regern (250) zu erfassen.

2. Mikrokreisel nach Anspruch 1, wobei die Innenmasse (110) derart angeord net ist, dass sie gemeinsam mit dem Außenrahmen (120) durch stabförmi ge elastische Körper (130) erregbar ist, wobei die stabförmigen elastischen Körper (130) an vier Stellen vorne, hinten, links und rechts an dem Innen rahmen (110) angeordnet sind.

3. Mikrokreisel nach Anspruch 1, wobei Messfühler (170) für die y-Achse mit Abständen zwischen den Kämmen (150) des Innenrahmens (110) ange ordnet sind, und wobei die Messfühler (170) von Halteeinrichtungen (160) gehalten werden.

4. Mikrokreisel nach Anspruch 1, wobei die zweite Mehrzahl der Kämme (240) der Schwingeinrichtung (220) mit Abstand zwischen der dritten Mehrzahl der Kämme (260) der Erreger (250) angeordnet ist, wobei die Erreger (250) durch Anlegen einer Spannung erregt werden.

5. Mikrokreisel nach Anspruch 1, enthaltend flache federartige elastische Kör per (230) zur Verbindung des Außenrahmens (120) mit den Außenmassen (210, 210').

6. Mikrokreisel nach Anspruch 5, wobei die elastischen Körper (230) jeweils von Halteeinrichtungen (270) gehalten werden.

7. Mikrokreisel nach Anspruch 1, wobei die Innenmasse (110) und die Au ßenmassen (210, 210') sich entgegengesetzt zueinander in Richtung der x- Achse aufgrund der elastischen Körper (230) bewegen.

8. Mikrokreisel nach Anspruch 7, wobei die Innenmasse (110) und die Au ßenmassen (210, 210') die gleiche Masse aufweisen und sich bei Schwin gungen entgegengesetzt zueinander bewegen.