DE60033635T2

DE60033635T2 - Stimmgabelumdrehungsmesser

Info

Publication number: DE60033635T2
Application number: DE60033635T
Authority: DE
Inventors: Helène Thomson-CSF WEHBE AIAUSE; Fabien Thomson-CSF FORMOSA
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: IL142920A0; FR2798993B1; CA2352131A1; AU7531900A; WO2001023838A1; EP1153267B1; FR2798993A1; EP1153267A1; US6520015B1; JP2003510592A; DE60033635D1

Description

Die Erfindung betrifft die bearbeiteten Mikromechanismen, umfassend Rückstellelemente in Form von Säulen, die gleichzeitigen Biege- und Torsionsverformungen unterzogen werden. Genauer betrifft die Erfindung die Gyrometer vom Typ Stimmgabel, die eine mikromechanische Struktur von vibrierenden Säulen verwenden.
In gewissen bearbeiteten Mikromechanismen ist es manchmal erforderlich, gleichzeitig Resonanzmodi in Translation und andere Modi in Rotation zu haben. Unter diesen Mikromechanismen ist das sensible Element eines Stimmgabelgyrometers zu finden.
1 zeigt eine vereinfachte Zeichnung eines durch Mikrobearbeitung hergestellten sensiblen Elements 10 vom Typ Stimmgabel mit einer symmetrischen Doppelsäulenstruktur. Das sensible Element weist zwei Freiheitsgrade entlang zweier Achsen Ox und Oz senkrecht auf ein Referenztrieder Oxyz auf. Aufgabe des Gyrometers ist die Messung der Winkelgeschwindigkeit Ω der Referenz Oxz die sich um die Achse Oy senkrecht auf diese Referenz dreht.
Das sensible Element des Gyrometers umfasst ein erstes Paar von Erregersäulen 12 und 14 und ein zweites Paar von zwei weiteren Erregersäulen 16 und 18. Die Erregersäulen des ersten und des zweiten Paars befinden sich in einer selben Ebene Oxy des Referenztrieders und parallel zu einer sensiblen Achse YY', die mit der Achse Oy zusammenfällt. Dieses erste und zweite Paar befindet sich beiderseits und im Wesentlichen in gleichem Abstand zur Achse YY'.
Jedes Paar von Erregersäulen umfasst eine zentrale Masse, die die beiden Säulen des Paars in ihrer Mitte verbindet, eine Masse m1 in der Mitte des ersten Paars und eine Masse m2 in der Mitte des zweiten Paars.
Die Enden der Säulen 12, 14, 16, 18, die sich auf einer selben Seite befinden, sind jeweils mit einem ersten 20 und einen zweiten Querelement 22 verbunden, die sich in derselben Ebene Oxy der Erregersäulen und im Wesentlichen senkrecht auf diese Säulen befinden.
Die ersten 20 und zweiten 22 Querelemente umfassen eine erste 24 bzw. zweite Rückstellsäule 26 (oder Rückstellelement), deren Torsionsachsen zur sensiblen Achse YY' des Gyrometers kolinear sind. Die Enden der ersten und der zweiten Rückstellsäule sind mit einem ersten 28 bzw. einem zweiten Gehäuse 30, die mit dem Gyrometer fest verbunden sind, verbunden.
Um die Messung der Winkelgeschwindigkeit bei einer Drehung des Gyrometers durchzuführen, erzeugt eine elektrostatische Vorrichtung 32 absichtliche Erregungen E1 bzw. E2 an den Massen m1 und m2 mit der natürlichen Resonanzfrequenz der Erregersäulen und der Rückstellsäulen. Diese Erregungskräfte E1 und E2 mit derselben Amplitude und entgegen gesetzten Richtungen werden an die Massen m1 und m2 parallel zu einer Achse XX', die mit der Achse Ox des Referenztrieders zusammenfällt, angelegt. Die Erregungen E1 und E2 erzeugen Verschiebungen der Massen m1 und m2 in zwei entgegen gesetzte Richtungen mit den jeweiligen Momentangeschwindigkeiten v1 und v2. Eine Drehung des Gyrometers, der das sensible Element 10 umfasst, das den Erregungen E1 und E2 ausgesetzt ist, erzeugt ein Coriolis-Kräftemoment F1 und F2 um die sensible Achse YY' auf der einen bzw. der anderen Masse m1 und m2, was zu einer Drehung der Querelemente 20, 22 und zur Torsion der Rückstellsäulen 24 und 26 um diese selbe Achse führt.
Die Winkeldrehgeschwindigkeit Ω des sensiblen Elements 10 wird durch die Messung der Position der Massen m1 und m2 bestimmt. Das Coriolis-Moment, das an den Massen m1 und m2 auftritt, wird folgendermaßen berechnet:
wobei J ≈ J0 + J1 sin ωt

Mcor/y: Coriolis-Moment, das an die Massen m1 und m2 angelegt wird;
Ω: Winkelgeschwindigkeit des sensiblen Elements 10 um die sensible Achse YY';
ω: natürlicher Resonanzimpuls der Massen m1 und m2
J: Trägheitsmoment der Massen m1 und m2 in Bezug zur Achse YY';
J₀: konstanter Teil des Trägheitsmoments J;
J₁: oszillierender Teil des Trägheitsmoments, das durch die Bewegung der Massen entlang der Achse XX' beim natürlichen Impuls ω erzeugt wird.

Es wird die Position der Massen m1 und m2 durch kapazitive Wirkung gemessen, und wenn die Massen m1 und m2 und die Torsions- und Biegekonstanten der Säulen des sensiblen Elements bekannt sind, wird auf bekannte Weise die Winkelgeschwindigkeit Ω des Gyrometers bestimmt.
Die Coriolis-Kräfte, die auf das Element bei einer Drehung des Gyrometers ausgeübt werden, erzeugen eine Torsion der Rückstellsäulen mit der Oszillationsfrequenz der Erregung, während die absichtliche Erregung der Massen m1 und m2 eine Biegung der Erregersäulen hervorruft.
Die Biegekraft und die Amplitude der Biegung, die sich daraus auf einer Säule ergibt, sind durch das Young-Modul des verwendeten Materials verbunden, während die Torsionskräfte und der daraus entstehende Torsionswinkel für dieses selbe Material mit dem mechanischen Poisson-Verhaltensmodul verbunden sind, das je nach der Geometrie der der Torsion ausgesetzten Säule unterschiedlich ist.
Bei den Gyrometern des Standes der Technik wird danach getrachtet, zwei Säulensysteme herzustellen, Erregersäulen und Erfassungssäulen, die möglichst ähnliche natürliche Resonanzfrequenzen haben, um die beiden Bewegungen zu verstärken, nämlich die Vibrationsbewegung zur Erregung und jene zur Erfassung, die von der Coriolis-Kraft auf dem sensiblen Element 10 erzeugt wird. Bei den Gyrometern des Standes der Technik erfolgt die Erregervibration auf einem Biegemodus, während die Erfassungsvibration auf einem Torsionsmodus erfolgt. Das Dokument DE 195 00 800 A1 beschreibt ein solches Gyrometer.
Diese beiden Resonanzmodi haben unterschiedliche Verhalten im Hinblick auf die Frequenzvariation

– in Abhängigkeit von den Bearbeitungsunsicherheiten der Säulen: die Steifigkeit einer Säule mit einem rechteckigen Querschnitt bei der Biegung hängt hauptsächlich von ihrer Dicke und ihrer Länge ab, während die Torsionssteifigkeit hauptsächlich von der Breite und der Dicke abhängt. Die beiden Steifigkeitstypen werden ausgedrückt durch: Biegesteifigkeit: Kbiegung proportional zu E·W·(H3/L3)Torsionssteifigkeit: Ktorsion proportional zu [E·/2 (1 – v)]·W³·H³/[L·(W² + H²)], wobei L, W und H Länge, Breite und Höhe der Säulen sind, E und v Young-Modul und Poisson-Koeffizient des Materials sind.
– in Abhängigkeit von der Temperatur: der Biegemodus ist nur mit dem Young-Modul des Materials verbunden, während die Torsion vom Young-Modul und dem Poisson-Modul abhängt; diese beiden Parameter haben nicht dasselbe Wärmeverhalten und verhalten sich somit nicht auf dieselbe Weise bei den Wärmeschwankungen, die an das Gyrometer angelegt werden.

Diese Nachteile führen zu einer Resonanzfrequenzvariation zwischen den Säulen, die mit unterschiedlichen Modi (Biegung und Torsion) funktionieren, die die Leistung und Stabilität der Gyrometer begrenzen.
Um die Nachteile der Systeme zur Messung der Winkelgeschwindigkeit des Standes der Technik zu vermeiden, schlägt die Erfindung ein Gyrometer vor, umfassend ein durch Mikrobearbeitung hergestelltes sensibles Element, das mindestens zwei Erregersäulen aufweist, die symmetrisch beiderseits und parallel zu einer sensiblen Achse Oy des Gyrometers angeordnet sind und entlang einer Achse Ox senkrecht auf die sensible Achse Oy in Biegung erregt werden und mit ihren Enden mit Hilfe mindestens eines Querelements verbunden sind, das in seinem zentralen Teil im Bereich der sensiblen Achse Oy an einem Gehäuse durch ein elastisches Torsionsrückstellelement befestigt ist, das sich der Drehung des Querelements um die Achse Oy widersetzt, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die elastischen Rückstellelemente derart dimensioniert sind, dass die Temperaturvariation ihrer natürlichen Resonanzfrequenz bei Torsion der Temperaturvariation der natürlichen Resonanzfrequenz bei Biegung der Säulen folgt.
Bei einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Gyrometers umfasst das elastische Rückstellelement eines Querelements mindestens eine längliche Säule in eine Richtung senkrecht zur Achse Oy, so dass die Torsionsrückstellkraft auf Grund dieses elastischen Rückstellelements im Wesentlichen vom Biegewiderstand dieser länglichen Säule stammt.
Bei einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Gyrometers umfasst das elastische Rückstellelement zwei im Wesentlichen parallele längliche Säulen, die aneinander durch ihre Enden befestigt sind, die sich auf einer selben Seite befinden, wobei eine der Säulen im Bereich ihres Mittelteils an dem Querelement und die andere Säule im Bereich ihres Mittelteils am Gehäuse befestigt ist.
Bei einer weiteren Ausführung des Gyrometers der Erfindung umfasst das elastische Rückstellelement drei im Wesentlichen parallele längliche Säulen, eine erste Säule, die mit einem ihrer Enden am Querelement befestigt ist, eine zweite Säule, die mit einem ihrer Enden am Gehäuse befestigt ist, und eine dritte Säule, die mit einem ihrer Enden am anderen Ende der ersten Säule und mit ihrem anderen Ende mit dem anderen Ende der zweiten Säule verbunden ist.
Bei diesen erfindungsgemäßen Ausführungen sind die verschiedenen Rückstellelemente Kräften ausgesetzt, die im Wesentlichen zu Biegeverformungen und zu sehr geringen Torsionsverformungen führen, im Gegensatz zu den bearbeiteten mikromechanischen Vorrichtungen des Standes der Technik (sensibles Element 10 aus 1), die Erregersäulen umfassen, die Kräften ausgesetzt sind, die sie durch Biegung verformen, und Rückstellsäulen umfassen, die Kräften ausgesetzt sind, die sie durch Torsion verformen (Drehmoment um die sensible Achse YY').
Bei den Vibrationserregungen der Erregersäulen des sensiblen Elements 10 aus 1 drücken sich die Resonanzfrequenzen der in Biegung verformten Säulen und der in Torsion verformten Säulen unterschiedlich aus, und wenn nun diese Säulen mit derselben Resonanzfrequenz zum Vibrieren gebracht werden sollen, sind die Abmessungen der Erreger- und Rückstellsäulen ganz unterschiedlich. Die Rückstellsäule, die Torsionskräften ausgesetzt ist, hat nämlich eine geringere Abmessung als die Erregersäule, die Biegekräften ausgesetzt ist.
Die geometrischen Herstellungsungenauigkeiten betreffen diese beiden Resonanzmodi (hinsichtlich Biegung und Torsion) auf sehr unterschiedliche Weise, und es ist schwierig, zwei überlagerte Resonanzfrequenzen zu erhalten. Andererseits hat in dem sensiblen Element 10 der 1 die Rückstellsäule nicht einen runden, sondern einen rechteckigen Querschnitt, der Torsionsmodus ist somit nicht rein und folglich schwer genau vorherzusehen. Schließlich haben die Frequenzen der Torsions- und Biegemodi nicht dieselben Temperaturvariationen, und dies kann zu thermischen Instabilitäten der Resonanz führen.
Ein weiterer Nachteil des sensiblen Elements 10 aus 1 ist das Auftreten eines Versatzes zwischen den natürlichen Resonanzfrequenzen der Erregersäulen und der Rückstellsäulen durch die Herstellungsstreuungen. Eine selbe geometrische Variation der Erregersäulen und Rückstellsäulen verändert nämlich den Wert der jeweiligen Eigenbiege- und -torsionsfrequenzen auf unterschiedliche Weise.
Bei der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung, die aus einem selben Material, üblicher weise Silizium, hergestellt ist, sind die länglichen Säulen im Wesentlichen Biegekräften ausgesetzt, die somit mit den Verformungen durch das Young-Modul verbunden sind. Die Befestigungen der länglichen Säulen eines Rückstellelements sind von Säulen von kurzer Länge in Richtung der sensiblen Achse Oy gebildet, um eine starke Torsionsfestigkeit aufzuweisen.
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der Studie der detaillierten Beschreibung der folgenden Ausführungen hervor, die sich auf die beiliegenden Zeichnung bezieht, wobei:
1, die bereits beschrieben wurde, eine vereinfachte Zeichnung des sensiblen Elements 10 eines Stimmgabelgyrometers nach dem Stand der Technik zeigt;
2 eine erste Ausführung des sensiblen Elements eines Stimmgabelgyrometers gemäß der Erfindung zeigt;
3a eine Teilansicht des sensiblen Elements des Gyrometers aus 2 zeigt;
3b eine Draufsicht entlang AA' der Teilansicht aus 3a zeigt;
4 eine zweite Ausführung des sensiblen Elements eines Stimmgabelgyrometers gemäß der Erfindung zeigt;
5a eine Teilansicht des sensiblen Elements des Gyrometers aus 4 zeigt;
5b eine Unteransicht entlang BB' der Teilansicht aus 5a zeigt;
die 6 und 7 zwei vereinfachte Ausführungen des Stimmgabelgyrometers gemäß der Erfindung zeigen, dessen sensibles Element ein einziges Querelement umfasst;
8 eine Teilansicht eines sensiblen Elements eines erfindungsgemäßen Gyrometers darstellt, umfassend eine Kaskade von Rückstellelementen;
9 eine Teilansicht eines sensiblen Elements um die Befestigungen darstellt, umfassend kleine Säulen.
2 stellt eine erste Ausführung eines sensiblen Elements 40 eines Stimmgabelgyrometers gemäß der Erfindung mit einem sensiblen Element dar, umfassend zwei Querelemente, wobei ein erstes Querelement Enden der Erregersäulen, die sich auf einer selben Seite befinden, verbindet und ein zweites Querelement die anderen Enden dieser selben Erregersäulen verbindet. Das sensible Element 40 hat eine symmetrische Doppelsäulenstruktur wie jene des sensiblen Elements 10, das in 1 dargestellt ist.
Das sensible Element 40 des Gyrometers umfasst das erste Paar von zwei Erregersäulen 12 und 14 und das zweite Paar der beiden anderen Erregersäulen 16 und 18. Die Erregersäulen des ersten und des zweiten Paars befinden sich in derselben Ebene Oxy des Referenztrieders und parallel zu einer sensiblen Achse YY', die mit der Achse Oy zusammenfällt. Dieses erste und zweite Paar befindet sich beiderseits und im Wesentlichen in gleichem Abstand zur Achse YY'.
Jedes Erregersäulenpaar umfasst eine zentrale Masse, die die beiden Säulen eines Paars in ihrer Mitte verbindet, die Masse m1 in der Mitte des ersten Paars und die Masse m2 in der Mitte des zweiten Paars. Die Enden der Säulen 12, 14, 16, 18, die sich auf einer selben Seite befinden, sind beispielsweise mit dem ersten 20 und dem zweiten Querelement 22 verbunden, die sich in derselben Ebene Oxy der Erregersäulen und im Wesentlichen senkrecht auf diese Säulen befinden.
Das erste 20 und zweite 22 Querelement sind an einem ersten 42 bzw. zweiten elastischen Torsionsrückstellelement 44 befestigt, wobei jedes der elastischen Rückstellelemente eine erste 46 und eine zweite längliche Säule 48 in eine Richtung senkrecht auf die sensible Achse YY' umfasst, wobei eine erste längliche Säule 46 an einem Querelement und eine zweite längliche Säule 48 an einem Gehäuse befestigt ist, wobei die erste und zweite längliche Säule aneinander mit ihren Enden auf einer selben Seite befestigt sind.
3a zeigt eine vergrößerte Teilansicht des sensiblen Elements 40 des erfindungsgemäßen Gyrometers, die das erste Rückstellelement 42 zeigt.
Das erste Querelement 20 ist an der ersten länglichen Säule 46 des ersten elastischen Rückstellelements 42 mit einem ersten starren Element 50 befestigt, dass ich in der sensiblen Achse YY' im Bereich eines zentralen Teils dieser ersten länglichen Säule 46 befindet. Die zweite längliche Säule desselben Rückstellelements 42 ist am ersten Gehäuse 28 durch ein zweites starres Element 52 befestigt, das sich in der Achse YY' im Bereich eines zentralen Teils der zweiten länglichen Säule 48 befindet. Die beiden Enden, die sich auf einer selben Seite der beiden länglichen Säulen befinden, sind mit einem dritten starren Element 54 bzw. einem vierten starren Element 56 befestigt.
3b zeigt eine Draufsicht entlang AA' des Rückstellelements 42 aus 3a bei einer Drehung R um die Achse YY' des Querelements, das durch ein Kräftemoment Fg und Fd angetrieben wird, die an dieses Element angelegt werden.
Die Drehung des Querelements 20 um die sensible Achse YY' führt zu S-förmigen Verformungen durch Biegung der ersten 46 und zweiten 48 länglichen Säule, wobei die erste längliche Säule 46 in Drehung durch das erste starre Element 50, das mit dem ersten Querelement 20 verbunden ist, und die zweite längliche Säule 48 in Drehung durch das dritte 54 und vierte 56 starre Element angetrieben wird, die mit den Enden dieser beiden länglichen Säulen 46 und 48 verbunden sind. Die Kräfte und die Biegeverformungen der länglichen Säulen, die durch die Drehbewegung des Querelements 20 erzeugt werden, sind durch das Young-Modul verbunden.
Auf dieselbe Weise (siehe 2) ist das zweite Querelement 22 an der ersten länglichen Säule 46 durch das erste starre Element 50 befestigt, das sich in der sensiblen Achse YY' im Bereich eines zentralen Teils der ersten länglichen Säule 46 befindet, wobei die zweite längliche Säule 48 am zweiten Gehäuse 30 durch das zweite starre Element 52 befestigt ist, das sich in der sensiblen Achse YY' im Bereich eines zentralen Teils der zweiten länglichen Säule 48 befindet. Die beiden Enden, die sich auf einer selben Seite der länglichen Säulen befinden, sind durch das dritte starre Element 54 bzw. das vierte starre Element 56 befestigt.
Die elastischen Rückstellelemente 42 und 44 müssen richtig dimensioniert werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen, d.h. eine bevorzugte Drehung entlang einer gegebenen Achse (sensible Achse YY') in Bezug zu den anderen Bewegungen, wobei hauptsächlich Biegebewegungen hervorgerufen werden. Dazu müssen die starren Elemente 50, 52, 54, 56, deren Torsionsachsen parallel zur sensiblen Achse YY' sind, sehr steif und folglich entlang der Achse YY' sehr kurz und entlang der senkrechten Achsen XX' und ZZ' sehr breit sein. Die länglichen Säulen 46 und 48 können nun derart dimensioniert werden, dass eine Drehsteifigkeit bestimmt wird. Die Länge dieser länglichen Säulen in eine Richtung senkrecht auf die sensible Achse YY' muss auch derart gewählt werden, dass die Drehung um die Achse YY' in Bezug zur Biegung entlang der Achse ZZ' senkrecht auf die Säulen und zur Drehachse YY' bevorzugt wird.
Die Drehsteifigkeit Kt um die Achse YY', die im Falle der ersten Ausführung des Rückstellelements der 3a berechnet wird, wobei angenommen wird, dass die starren Elemente 50, 52, 54, 56 eine große Steifigkeit in Bezug zu den länglichen Säulen haben, wird ausgedrückt durch: Kt1 = 2·E·I/LWobei 1 = b·t3/12;

E:: Young-Modul;
L:: halbe Länge der Säulen 42, 44;
b:: Dimension der Säulen parallel zur Achse YY';
t:: Dimension der Säulen parallel zur Achse ZZ'.

Um die Biegebewegung entlang der Achse ZZ' zu begrenzen, muss die Eigenfrequenz dieses Modus f_z entlang ZZ' größer als die Torsionseigenfrequenz f_t sein. Die halbe Länge der Säulen bestimmt das Verhältnis zwischen diesen beiden Frequenzen.
Unter der Annahme, dass punktuelle Massen M an den Enden eines Querelements der Länge Lm angeordnet sind (siehe 3a), dass die Masse dieses Querelements vernachlässigbar ist und dass die starren Elemente 50, 52, 54, 56 eine große Steifigkeit in Bezug auf die länglichen Säulen haben, sind das Verhältnis zwischen der Länge des diese Massen tragenden Querelements, der Länge der Säulen des Rückstellelements und den Eigenfrequenzen der Torsions- und Biegemodi bei ZZ' gegeben durch: L = (ft/fz)·Lm·√3
4 zeigt eine weitere Ausführung eines sensiblen Elements 60 eines erfindungsgemäßen Gyrometers mit derselben symmetrischen Doppelsäulenstruktur der sensiblen Elemente 10, 40 der 1 und 2.
Bei dieser weiteren Ausführung sind das erste 20 und das zweite Querelement 22 an einem ersten 62 bzw. einem zweiten elastischen Rückstellelement 64 befestigt. Jedes der Rückstellelemente umfasst drei längliche Säulen in eine Richtung senkrecht auf die sensible Achse YY', wobei eine erste längliche Säule 66 mit einem ihrer Enden an dem Querelement befestigt ist, wobei eine zweite längliche Säule 68 mit einem ihrer Enden an einem Gehäuse befestigt ist, und wobei eine dritte längliche Säule 70 mit dem einen bzw. dem anderen ihrer beiden Enden am anderen Ende der ersten 66 und der zweiten länglichen Säule 68 befestigt ist.
5a zeigt eine vergrößerte Teilansicht des sensiblen Elements 60 des erfindungsgemäßen Gyrometers, die das erste elastische Rückstellelement 62 zeigt.
Das erste Querelement 20 ist an einem der Enden der ersten länglichen Säule 66 mit einem ersten starren Element 72 befestigt, das sich in der sensiblen Achse YY' des sensiblen Elements 60 befindet. Die zweite längliche Säule 68 ist mit einem ihrer Enden am ersten Gehäuse 28 durch ein zweites starres Element 74 befestigt, das sich in der sensiblen Achse YY' befindet. Die dritte längliche Säule 70 ist mit ihren beiden Enden über ein drittes starres Element 76 am anderen Ende der ersten länglichen Säule 72 bzw. über ein viertes starres Element 78 mit dem anderen Ende der zweiten länglichen Säule 68 verbunden.
5b zeigt eine Draufsicht entlang BB' des bearbeiteten mikromechanischen Rückstellelements 62 aus 5a bei einer Drehung R um die sensible Achse YY' des beweglichen Elements 20, das vom Kräftepaar Fg und Fd angetrieben wird, die an dieses Element angelegt werden. Die Drehung des ersten Querelements 20 um die Achse YY' führt zu einer S-förmigen Biegeverformung der ersten 66, zweiten 68 und dritten 70 länglichen Säule. Die erste längliche Säule 66 wird in Drehung angetrieben und vom ersten starren Element 72 gebogen, das mit dem ersten Querelement 20 verbunden ist, wobei die Bewegung dieser ersten länglichen Säule ihrerseits zu einer Drehung und Biegung der dritten 70 und zweiten 68 länglichen Säulen mit Hilfe der dritten 76 und vierten 78 starren Elemente führt.
Auf ähnliche Weise (siehe 4) ist das zweite Querelement 22 an einem der Enden der ersten länglichen Säule 66 des zweiten elastischen Rückstellelements 64 mit dem ersten starren Element 72 befestigt, das sich in der Achse YY' des Rückstellelements befindet, wobei die zweite längliche Säule 68 mit einem ihrer Enden am zweiten Gehäuse 30 durch das zweite starre Element 72 befestigt ist, das sich in der sensiblen Achse YY' befindet. Die dritte längliche Säule 70 ist mit ihren beiden Enden mit Hilfe des dritten starren Elements 76 am anderen Ende der ersten länglichen Säule 72 bzw. mit Hilfe des vierten starren Elements 78 am anderen Ende der zweiten länglichen Säule 68 befestigt.
Wie im Fall der ersten Ausführung der 2 zeigt sich die Drehbewegung der Querelemente 20, 22 um die sensible Achse YY' in Biegeverformungen der drei länglichen Säulen des Rückstellelements, dessen Steifigkeit mit dem Young-Modul verbunden ist.
Bei dieser zweiten Ausführung des sensiblen Elements der 4 ist die Drehsteifigkeit gegeben durch: Kt2 = E·I/3·L
Bei den erfindungsgemäßen Gyrometern führt das Rückstellelement eine Art Entkopplung durch, wobei es die Drehung des Querelements durch starre Säulen parallel zur sensiblen Achse YY' auf biegsame Säulen senkrecht zu dieser Achse überträgt. Die Drehung führt somit zu einer Biegung der Säulen senkrecht auf die sensible Achse, während die Säulen parallel zur sensiblen Achse, die mehr starr sind, nur geringen Torsionen unterliegen. Dieses Rückstellelement ermöglicht es somit, die Drehung gegenüber den anderen Bewegungen zu bevorzugen.
Im Falle der bearbeiteten mikromechanischen Systeme, wie des sensiblen Elements der 1 können die Massen in Drehung von Hebelarmen mit starker Steifigkeit getragen werden, um die Ablenkungsbewegungen der Massen durch Biegung dieser Arme zu begrenzen. Das Rückstellelement selbst kann derart ausgeführt sein, dass es bei den Translationsbewegungen steifer ist als bei der gewünschten Drehung. So sind bei den in den 3a, 3b, 4a und 4b beschriebenen Ausführungen die länglichen Säulen durch starre Elemente befestigt, die nur wenig Torsion aufweisen.
Die Steifigkeit dieser starren Elemente kann von ihren Abmessungen stammen. Diese starren Elemente sind nämlich breitere und kürzere Säulen als die länglichen Säulen.
Bei vereinfachten Ausführungen des Stimmgabelgyrometers gemäß der Erfindung umfassen sensible Elemente 80 und 90, die in den 6 bzw. 7 dargestellt sind, ein einziges Querelement.
Die Struktur des sensiblen Elements 80 aus 6 ist dieselbe wie jene des oberen Teils des sensiblen Elements 40 aus 2, der sich nur auf der Seite der Achse XX' befindet, die das erste Querelement 20 umfasst. Ein erstes Paar von Erregersäulen 82 und 84 und ein zweites Paar von Erregersäulen 86 und 88 sind an ihren Enden, die sich auf einer selben Seite befinden, nur durch das erste Querelement befestigt, wobei die anderen Enden des ersten und des zweiten Säulenpaars mit den Massen m1 bzw. m2 verbunden sind. Das sensible Element 80 umfasst nur das elastische Rückstellelement 42, das einen zentralen Teil des ersten Querelements 20 mit dem Gehäuse 28 verbindet.
Auf dieselbe Weise ist die Struktur des sensiblen Elements 90 aus 7 dieselbe wie jene des oberen Teils des sensiblen Elements 60 aus 4, der sich nur auf der Seite der Achse XX' befindet, die das Querelement 20 umfasst. Das erste Erregersäulenpaar 82 und 84 und das zweite Erregersäulenpaar 86 und 88 sind an ihren Enden, die sich auf einer selben Seite befinden, nur durch das erste Querelement 20 befestigt, wobei die anderen Enden des ersten und zweiten Säulenpaars mit den Massen m1 bzw. m2 verbunden sind. Das sensible Element 90 umfasst nur das elastische Rückstellelement 62, das einen zentralen Teil des ersten Querelements 20 mit dem Gehäuse 28 verbindet.
Bei weiteren Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Stimmgabelgyrometers umfasst das sensible Element zwei Erregersäulen, die sich beiderseits der sensiblen Achse YY' befinden und an ihren Enden, die sich auf einer selben Seite befinden, durch das erste 20 bzw. zweite Querelement 22 verbunden sind.
Die elastischen Rückstellelemente, die in den 3a und 5a dargestellt sind, können in Kaskade angeordnet sein, was eine größere Drehamplitude des resultierenden Rückstellelements ermöglicht.
8 stellt eine Teilansicht eines sensiblen Elements 100 mit derselben Doppelsäulenstruktur wie jener des sensiblen Elements 40 aus 2 dar. Das sensible Element 100 umfasst eine Kaskade 102 von Rückstellelementen, wobei jedes der elastischen Rückstellelemente wie in 3a dargestellt ist, umfassend die beiden länglichen Säulen 46, 48. Das erste Querelement 20 und das erste Gehäuse 28 sind durch eine Kaskade 102 von elastischen Rückstellelementen verbunden, wobei ein erstes Rückstellelement 104 mit dem ersten Querelement 20 des sensiblen Elements 100 durch das erstes starre Element 50 verbunden ist, wobei ein folgendes elastisches Rückstellelement 106 mit dem ersten elastischen Rückstellelement 104 durch ein starres Zwischenelement 108 verbunden ist, und so weiter bis zum letzten elastischen Rückstellelement 110, das mit dem Gehäuse 28 durch das zweite starre Element 52 verbunden ist.
Bei einer weiteren Ausführung des Gyrometers kann die Kaskade von Rückstellelementen des sensiblen Elements aus Rückstellelementen 72 aus 5a gebildet sein, umfassend drei längliche Säulen 66, 68, 70.
Bei weiteren Ausführungsarten des sensiblen Elements des Stimmgabelgyrometers ist das elastische Rückstellelement 42, 44, 62, 64 einerseits am Querelement 20, 22 durch ein erstes Paar von kleinen Säulen 120, 122 und andererseits am Gehäuse 28, 30 durch ein zweites Paar von kleinen Säulen 124, 126 von sehr kleinen Abmessungen entlang der sensiblen Achse YY' und entlang der Achse XX' in Bezug zur Länge der länglichen Säulen verbunden, wobei die beiden kleinen Säulen eines Paars beiderseits der sensiblen Achse YY' und nahe zu dieser Achse angeordnet sind.
9 stellt eine Teilansicht eines sensiblen Elements um die Befestigungen eines ersten elastischen Rückstellelements 118 mit derselben Struktur wie das elastische Rückstellelement 42, das in 3a gezeigt ist, dar, umfassend das erste Paar von kleinen Säulen 120 und 122 und das zweite Paar von kleinen Säulen 124 und 126. Diese kleinen Säulen erleichtern noch mehr die Biegung des sensiblen Elements in Bezug zur Torsion.
Die Gyrometer des Standes der Technik ermöglichen es, Messgenauigkeiten der Winkelgeschwindigkeit von ungefähr 1 Grad pro Sekunde zu erzielen.
Die Erfindung ermöglicht es, die beiden Resonanzmodi des sensiblen Elements eines Stimmgabelgyrometers bei seiner Herstellung und dann während des Betriebs insbesondere bei thermischen Schwankungen genau zu überlagern.
Das erfindungsgemäße Gyrometer weist somit ein besseres Signal-Lärm-Verhältnis sowie eine bessere Wärmestabilität auf. Es ermöglicht somit Messgenauigkeiten der Winkelgeschwindigkeiten, die ungefähr zehnmal höher als jene der Gyrometer des Standes der Technik sind.

Claims

Gyrometer, umfassend ein durch Mikrobearbeitung hergestelltes sensibles Element (10, 40, 60, 80, 90, 100), das mindestens zwei Erregersäulen (12, 14, 16, 18, 82, 84, 86, 88) aufweist, die symmetrisch beiderseits und parallel zu einer sensiblen Achse Oy des Gyrometers angeordnet sind und entlang einer Achse Ox senkrecht auf die sensible Achse Oy in Biegung erregt werden und mit ihren Enden mit Hilfe mindestens eines Querelements (20, 22) verbunden sind, das in seinem zentralen Teil im Bereich der sensiblen Achse Oy an einem Gehäuse (28, 30) durch ein elastisches Torsionsrückstellelement (24, 26, 42, 44, 62, 64, 110) befestigt ist, das sich der Drehung des Querelements um die Achse Oy widersetzt, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die elastischen Rückstellelemente derart dimensioniert sind, dass die Temperaturvariation ihrer natürlichen Resonanzfrequenz bei Torsion der Temperaturvariation der natürlichen Resonanzfrequenz bei Biegung der Säulen folgt.
Gyrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rückstellelement eines Querelements mindestens eine längliche Säule (46, 48, 66, 68, 70) in eine Richtung senkrecht auf die Achse Oy umfasst, so dass die Torsionsrückstellkraft durch dieses elastische Rückstellelement im Wesentlichen vom Biegewiderstand dieser länglichen Säule stammt.
Gyrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rückstellelement zwei im Wesentlichen parallele längliche Säulen (46, 48) umfasst, die aneinander mit ihren auf derselben Seite befindlichen Enden befestigt sind, wobei eine der Säulen im Bereich ihres zentralen Teils mit dem Querelement (20, 22) und die andere Säule im Bereich ihres zentralen Teils mit dem Gehäuse (28, 30) verbunden ist.
Gyrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rückstellelement (62, 64) drei im Wesentlichen parallele längliche Säulen (66, 68, 70) umfasst, eine erste Säule (66), die mit einem ihrer Enden am Querelement befestigt ist, eine zweite Säule (68), die mit einem ihrer Enden am Gehäuse befestigt ist, und eine dritte Säule (70), die mit einem ihrer Enden am anderen Ende der ersten Säule und mit ihrem anderen Ende mit dem anderen Ende der zweiten Säule verbunden ist.
Gyrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das sensible Element (40) des Gyrometers ein erstes Paar von zwei Erregersäulen (12, 14) und ein zweites Paar von zwei weiteren Erregersäulen (16, 18) umfasst, wobei sich die Erregersäulen des ersten und des zweiten Paars in derselben Ebene Oxy eines Referenzkoordinatensystems befinden und parallel zu einer mit der Achse Oy zusammenfallenden sensiblen Achse YY' liegen, wobei dieses erste und zweite Paar beiderseits und im Wesentlichen in gleichem Abstand zur Achse YY' angeordnet sind, wobei jedes Paar von Erregersäulen eine zentrale Masse umfasst, die in ihrer Mitte die beiden Säulen eines Paars verbindet, eine Masse m1 in der Mitte des ersten Paars und eine Masse m2 in der Mitte des zweiten Paars, wobei die Enden der Erregersäulen (12, 14, 16, 18), die sich auf einer selben Seite befinden, mit dem ersten Querelement (20) bzw. dem zweiten Querelement (22) verbunden sind, die sich in derselben Ebene Oxy der Erregersäulen und im Wesentlichen senkrecht zu diesen Säulen befinden, wobei das erste Querelement (20) und das zweite Querelement (22) mit einem ersten elastischen Torsionsrückstellelement (42, 62) bzw. einem zweiten elastischen Torsionsrückstellelement (44, 64) verbunden sind.
Gyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der elastischen Rückstellelemente (42, 44) eine erste längliche Säule (46) und eine zweite längliche Säule (48) in eine Richtung senkrecht auf die sensible Achse YY' umfassen, wobei die erste längliche Säule (46) mit einem Querelement (20, 22) und die zweite längliche Säule (48) mit einem Gehäuse (28, 30) verbunden ist, wobei die erste längliche Säule und die zweite längliche Säule aneinander durch ihre Enden einer selben Seite befestigt sind.
Gyrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Querelement (20) an der ersten länglichen Säule (46) des ersten elastischen Rückstellelements (42) durch ein erstes starres Element (50) befestigt ist, das sich in der sensiblen Achse YY' im Bereich eines zentralen Teils dieser ersten länglichen Säule (46) befindet, wobei die zweite längliche Säule desselben elastischen Rückstellelements (48) an einem ersten Gehäuse (28) durch ein zweites starres Element (52) befestigt ist, das sich in der Achse YY' im Bereich eines zentralen Teils der zweiten länglichen Säule (48) befindet, wobei die beiden Enden, die sich auf einer selben Seite der beiden länglichen Säulen befinden, durch ein drittes starres Element (54) bzw. ein viertes starres Element (56) befestigt sind, und dass das zweite Querelement (22) an der ersten länglichen Säule (46) durch das erste starre Element (50) befestigt ist, dass sich in der sensiblen Achse YY' im Bereich eines zentralen Teils der ersten länglichen Säule (46) befindet, wobei die zweite längliche Säule (48) an einem zweiten Gehäuse (30) durch das zweite starre Element (52) befestigt ist, das in der sensiblen Achse YY' im Bereich eines zentralen Teils der zweiten länglichen Säule (48) angeordnet ist, wobei die beiden Enden, die sich auf einer selben Seite der länglichen Säulen befinden, durch das dritte starre Element (54) bzw. das vierte starre Element (56) befestigt sind.
Gyrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der elastischen Rückstellelemente (62, 64) drei längliche Säulen (66, 68, 70) in eine Richtung senkrecht auf die sensible Achse YY' umfasst, wobei eine erste längliche Säule (66) mit einem ihrer Enden an einem Querelement (20, 22) befestigt ist, wobei eine zweite längliche Säule (68) mit einem ihrer Enden an einem Gehäuse (28, 30) befestigt ist, und wobei eine dritte längliche Säule (70) mit dem einen bzw. dem anderen ihrer beiden Enden am anderen Ende der ersten (66) und der zweiten (68) länglichen Säule befestigt ist.
Gyrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Querelement (20) an einem ersten Ende der ersten länglichen Säule (66) des ersten elastischen Rückstellelements (62) durch ein erstes starres Element (72), das sich in der sensiblen Achse YY' des sensiblen Elements (60) befindet, befestigt ist, wobei die zweite längliche Säule (68) mit einem ihrer Enden am ersten Gehäuse (28) durch ein zweites starres Element (74), das sich in der sensiblen Achse YY' befindet, befestigt ist, wobei die dritte längliche Säule (70) mit ihren beiden Enden über ein drittes starres Element (76) am anderen Ende der ersten länglichen Säule (66) bzw. über ein viertes starres Element (78) am anderen Ende der zweiten länglichen Säule (68) befestigt ist, und dass das zweite Querelement (22) an einem der Enden der ersten länglichen Säule (66) des zweiten elastischen Rückstellelements (64) durch das erste starre Element (72), das sich in der sensiblen Achse YY' befindet, befestigt ist, wobei die zweite längliche Säule (68) mit einem ihrer Enden am zweiten Gehäuse (30) durch das zweite starre Element (74), das sich in der sensiblen Achse YY' befindet, befestigt ist, wobei die dritte längliche Säule (70) mit ihren beiden Enden über das dritte starre Element (76) mit dem anderen Ende der ersten länglichen Säule (66) bzw. über das vierte starre Element (78) am anderen Ende der zweiten länglichen Säule (68) befestigt ist.
Gyrometer nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungen von Säulen von kurzer Länge in Richtung der sensiblen Achse Oy gebildet sind, um eine starke Torsionsfestigkeit aufzuweisen.
Gyrometer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die starren Elemente (50, 52, 54, 56, 72, 74, 76, 78) breitere und kürzere Säulen als die länglichen Säulen sind.
Gyrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das sensible Element (80, 90) ein erstes Paar von Erregersäulen (82, 84) und ein zweites Paar von Erregersäulen (86, 88) umfasst, wobei diese Erregersäulen an ihren Enden, die sich auf einer selben Seiten befinden, an einem einzelnen ersten Querelement (20) befestigt sind, wobei die anderen Enden des ersten und zweiten Paars von Säulen mit den Massen m1 bzw. m2 verbunden sind, wobei das sensible Element (80, 90) das einzelne elastisches Rückstellelement (42, 62, 102) umfasst, das einen zentralen Teil des ersten Querelements (20) mit einem ersten Gehäuse (28) verbindet.
Gyrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Querelement (20, 22) und das Gehäuse (28, 30) durch eine Kaskade (102) von elastischen Rückstellelementen (42, 62) verbunden sind, wobei ein erstes elastisches Rückstellelement (104) mit dem ersten Querelement (20) des sensiblen Elements (100) durch ein erstes starres Element (50) verbunden ist, ein folgendes elastisches Rückstellelement (106) mit dem ersten elastischen Rückstellelement (104) durch ein starres Zwischenelement (108) verbunden ist, und so weiter bis zu einem letzten elastischen Rückstellelement (110), das mit dem Gehäuse (28, 30) durch ein zweites starres Element (52) verbunden ist.
Gyrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rückstellelement (42, 44, 62, 64) einerseits am Querelement (20, 22) durch ein erstes Paar von kleinen Säulen (120, 122) und andererseits am Gehäuse (28, 30) durch ein zweites Paar von kleinen Säulen (124, 126) mit sehr kleinen Dimensionen entlang der sensiblen Achse YY' und entlang der Achse XX' in Bezug auf die Länge der länglichen Säulen befestigt ist, wobei die beiden kleinen Säulen eines Paars beiderseits der sensiblen Achse YY' und nahe dieser Achse angeordnet sind.