DE69829022T2

DE69829022T2 - Zweiachsiges, Navigationsansprüche erfüllendes, mikromechanisches Drehsensorsystem

Info

Publication number: DE69829022T2
Application number: DE69829022T
Authority: DE
Inventors: Stanley F. Encino Wyse; Robert E. Woodland Hills Stewart; Samuel N. Studio City Fersht
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2018-07-25
Also published as: KR19990014303A; TW390961B; US5987986A; JPH11142164A; EP0895059A2; DE69829022D1; JP3970435B2; EP0895059B1; CA2243348C; EP0895059A3; CA2243348A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Rotationssensoren zur Verwendung in Anwendungen wie beispielweise der Navigation. Im Einzelnen betrifft diese Erfindung ein Rotationssensorsystem, das eine hohe Genauigkeit gewährleistet, während es in der Umgebung von Wiedereintrittsflugkörpern und dergleichen mit hoher Erdbeschleunigung und hoher Vibration arbeitet. Noch genauer gesagt, bezieht sich diese Erfindung auf ein Rotationssensorsystem auf der Grundlage eines Siliziumchips, der Coriolis-Beschleunigungssensoren einschließt, um Drehgeschwindigkeiten um zwei zueinander senkrechte Abfühlachsen zu messen.
Bisher bekannte mikrobearbeitete Coriolis-Rotationssensorsysteme haben eine systematische Abweichungswiederholbarkeit im Bereich von 10° bis 1000°/h gezeigt. Auf der Grundlage einer Analyse dieser Konzepte erscheint es nicht glaubhaft, daß ihre Leistung um drei oder fünf Größenordnungen verbessert werden könnte, um eine hochgenaue Vorrichtung von Navigationsgüte herzustellen, während die Ziele niedriger Kosten und hoher Zuverlässigkeit erfüllt werden, die für das Rotationssensorsystem der vorliegenden Erfindung gestellt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein Rotationssensor nach Anspruch 1.
Ein Rotationssensor nach der vorliegenden Erfindung schließt eine in einem Gehäuse angeordnete Grundplatte mit einer Vielzahl von zwischen dem Gehäuse und der Grundplatte angeordneten nachgiebigen, gedämpften Kissen ein. Eine zum Erzeugen von Drehschwingungen um eine Antriebsachse angeordnete Nabe steht von der Grundplatte vor, und ein erstes Antriebselement wird mit der Nabe verbunden.
Eine erste Abfühleinrichtung, die ein Stützelement hat, wird mit dem Antriebselement verbunden derart, daß Drehschwingungen des Antriebselements um die Antriebsachse auf das Stützelement übertragen werden. Die erste Abfühleinrichtung schließt außerdem ein mit dem Stützelement verbundenes und zum Schwingen mit dem Stützelement um die Antriebsachse angeordnetes Abfühlelement ein. Das Abfühlelement wird zum drehenden Schwingen im Verhältnis zum Stützelement angeordnet, um eine Abfühlachse, senkrecht zur Antriebsachse bei Eingangsdrehgeschwindigkeiten des Rahmens um eine Eingangsachse, die senkrecht sowohl zur Abfühlachse als auch zur Antriebsachse ist. Das Abfühlelement wird derart geformt, daß sein Trägheitsmoment um die Antriebsachse wesentlich gleich ist der Summe der Trägheitsmomente um seine zwei Hauptachsen senkrecht zur Antriebsachse. Der Rotationssensor schließt weiterhin eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Signals ein, das die Eingangsdrehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen des Abfühlelements um die erste Abfühlachse anzeigt.
Der Rotationssensor schließt ebenfalls ein zweites, mit dem ersten Antriebselement verbundenes, Stützelement ein. Das zweite Antriebselement wird zum Erzeugen von Drehschwingungen um die Antriebsachse angeordnet, die in der Richtung zu den durch das erste Antriebselement erzeugten Drehschwingungen entgegengesetzt sind. Eine zweite, vorzugsweise wesentlich mit der ersten Abfühleinrichtung identische, Abfühleinrichtung wird mit dem Antriebselement verbunden. Die zweite Abfühleinrichtung hat ein zum drehenden Schwingen im Verhältnis zum zweiten Stützelement um eine zweite Abfühlachse, die parallel zur ersten Abfühlachse sein kann, angeordnetes zweites Abfühlelement und hat eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Signals, das die Eingangsdrehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen des zweiten Abfühlelements um die zweite Abfühlachse anzeigt.
Die zweite Abfühlachse ist vorzugsweise senkrecht zur ersten Abfühlachse.
Ein alternativer Sensor kann so geformt werden, daß er eine von einer Basis vorstehende Nabe und einen ersten Satz von an der Basis geformten Antriebselektroden einschließt. An der Nabe wird ein Antriebselement angebracht. Das Antriebselement schließt einen zweiten Satz von an demselben geformten Antriebselektroden ein, der dem ersten Satz von Antriebselektroden entspricht. Die Basis und das Antriebselement werden in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet derart, daß entsprechende Elemente des ersten und des zweiten Satzes von Elektroden winklig zueinander versetzt sind, so daß ein Anlegen eines elektrischen Signals an den ersten und den zweiten Satz von Elektroden ein Drehmoment am Antriebselement erzeugt, das Drehschwingungen des Antriebselements in einer Ebene um die Antriebsachse erzeugt. Der Rotationssensor schließt ebenfalls ein Sensorelement ein, das so geformt wird, daß es einen äußeren Stützring hat, so am Antriebselement angebracht, daß Drehschwingungen des Antriebselements auf das Sensorelement übertragen werden. Das Sensorelement schließt weiterhin ein Abfühlelement innerhalb des Stützrings und ein Paar von zwischen dem äußeren Stützring und dem Abfühlelement angeschlossenen Drehstabfedern ein, wobei das Paar von Drehstabfedern so ausgerichtet wird, daß es eine Ausgangsabfühlachse definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Festkörper-Zweiachsen-Rotationssensors nach dem bekannten technischen Stand,
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Geschwindigkeitsabfühlelements, das in den Rotationssensor von 1 eingeschlossen werden kann,
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Antriebselements, das in die Vorrichtung von 1 eingeschlossen werden kann,
4 ist eine Querschnittsansicht eines Biegungsträgers, der in die Vorrichtung von 3 eingeschlossen werden kann,
5 ist eine Unteransicht von einem Antriebselement und Sensorfühler- und Drehmomenterzeugungselektroden, die in die Vorrichtung von 1 eingeschlossen werden können,
6 ist eine Draufsicht des Antriebselements von 1 und 5,
7 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 7 – 7 von 5 einer Rotationssensor-Baugruppe, die einen kapazitiven Signalfühler einschließt, der in die Vorrichtung von 1 eingeschlossen werden kann,
8 illustriert schematisch das Vorspannen und den elektrischen Signalfühler für die Vorrichtung von 7,
9 illustriert Schaltungen zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Coriolis-Rotationssensor ausgegeben werden, wobei jedes Abfühlelement für jede Achse unabhängig erfaßt wird,
10 ist ein Blockdiagramm, das zusätzliche Merkmale der Schaltungen von 9 illustriert,
11 ist ein verallgemeinertes Blockdiagramm von Schaltungen zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Coriolis-Rotationssensor ausgegeben werden, bei dem beide Abfühlelemente in einer Erfassungsschleife für jede Achse kombiniert werden, und
12 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Festkörper-Einzelachsen-Rotationssensors,
13 ist eine Draufsicht eines in den in 12 gezeigten Sensor eingeschlossenen Sensorelements,
14 ist eine Draufsicht eines in den in 12 gezeigten Sensor eingeschlossenen Antriebselements,
15 ist eine Unteransicht des Antriebselements von 14,
16 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 16 – 16 von 14,
17 bis 19 sind Querschnittsansichten von Torsionselementen, die in das Abfühlelement von 12 und 13 eingeschlossen werden können,
20A ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Zweiachsen-Winkelgeschwindigkeitssensors mit zweifacher Gegenschwingung nach der vorliegenden Erfindung,
20B ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Zweisensoren-Einzelachsen-Drehgeschwindigkeitssensors nach der vorliegenden Erfindung,
21 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von 20A,
22 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines anderen Festkörper-Einzelachsen-Rotationssensors,
23 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, die zwei der Geräte von 22 kombiniert, um einen Zweiachsen-Winkelgeschwindigkeitssensor mit zweifacher Gegenschwingung zu erzeugen, und
24 ist eine perspektivische Ansicht einer Seite des angetriebenen Elements von 22, die eine anodische Bondfläche und eine Vielzahl von Antriebselektroden zeigt.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Unter Bezugnahme auf 1 schließt ein in WO 96/04525 offenbarter Rotationssensor 20 eine Basis 22 mit einer unteren Abdeckung 23 und einer oberen Abdeckung (nicht gezeigt), die vorzugsweise im Wesentlichen identisch mit der unteren Abdeckung 23 ist, ein. Die Basis 22 hat einen allgemein rechteckigen Querschnitt. Die Basis 22 schließt Basishalterungen 24 bis 27 ein, jeweils an den Ecken 28 bis 31 innerhalb der Basis 22 angebracht.
Der Rotationssensor 20 umfaßt ein Paar von Geschwindigkeitsabfühlelementen 34 und 36, die vorzugsweise identisch sind. Jedes der Geschwindigkeitsabfühlelemente 34 und 36 wird vorzugsweise durch ein Mikrobearbeitungsverfahren aus einem Silizium-Einkristall hergestellt. Der Rotationssensor 20 schließt weiter ein Paar von Antriebselementen 38 und 40 ein, die ebenfalls identisch sind und die ebenfalls aus Silizium-Einkristallen hergestellt werden.
1 zeigt gegenüberliegende Flächen 42 und 44 der Geschwindigkeitsabfühlelemente 34 bzw. 36. Wenn der Rotationssensor 20 zusammengebaut wird, wird, wie in 1 zu sehen, die Fläche 42 des Geschwindigkeitsabfühlelements 34 an die untere Fläche des Antriebselements 38 gebunden. Ähnlich wird die untere Fläche des Geschwindigkeitsabfühlelements 36 an das Antriebselement 40 gebunden.
Das Antriebselement 38 schließt einen umlaufenden Rahmen 50 ein, der zum Zweck der Illustration als allgemein rechteckig gezeigt wird. Der Rahmen 50 kann andere Konfigurationen haben. Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Mittelabschnitt 52 der oberen Fläche 54 des Antriebselements 38 dünner als der Rahmen 50. Unter Bezugnahme auf 1 und 3 hat der Mittelabschnitt 52 Seitenkanten 55 bis 58, die durch Biegungsträger 60 bis 63 mit dem Rahmen 50 verbunden werden. Die Biegungsträger 60 bis 63 erstrecken sich vorzugsweise von den Mitten der Seitenkanten 55 bis 58 bis zum Rahmen 50. In 3 wird ein Teil des Antriebselements 38 weggelassen, um den Mittelabschnitt 52 und die Biegungsträger 60 bis 63 deutlicher zu zeigen. 4 zeigt den Querschnitt des Biegungsträgers 60, geformt durch Ätzen des Siliziumkristalls. Die Biegungsträger 60 bis 63 sind vorzugsweise identisch und haben in der vertikalen Ebene, gesehen wie in 1, 3, 4 und 7, eine hohe Biegefestigkeit. Die Biegungsträger 60 bis 63 haben in der horizontalen Ebene eine niedrige Biegefestigkeit, so daß der Mittelabschnitt 52 mit einer Drehbewegung niedriger Amplitude um eine vertikale Achse durch seinen geometrischen Mittelpunkt schwingen kann.
5 illustriert die Unterseite des Antriebselements 38. Das Antriebselement 38 schließt vier Drehmomenterzeuger-Elektroden 227a bis 227d ein, die durch Metallisieren ausgewählter Abschnitte des Antriebselements 38 hergestellt werden können. Diese Drehmomenterzeuger-Elektroden 227a bis 227d sind vorzugsweise identisch mit in 1 gezeigten Drehmomenterzeuger-Elektroden 228a bis 228d am Antriebselement 40. Die Abfühlelemente 110 und 112 zeigen zu den Drehmomenterzeuger-Elektroden 227a bis 227d bzw. 228a bis 228d. Die Drehmomenterzeuger-Elektroden werden dazu verwendet, auf die Abfühlelemente 110 und 112 ein Rückführungsdrehmoment auszuüben, wie es anschließend in der Beschreibung der Signalverarbeitungsvorrichtung, die in die vorliegende Erfindung eingeschlossen werden kann, erläutert wird.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 6 werden am Antriebselement 38 durch entsprechendes Metallisieren von Abschnitten des Kristalls, der das Antriebselement 38 bildet, vier Gruppen von Elektrodenbaugruppen 70 bis 73 geformt. Die Elektrodenbaugruppen werden zwischen den Biegungsträgern 60 bis 63 mit dem Mittelabschnitt 52 verbunden. Unter Bezugnahme auf 6 zeigen die kreuzweise schraffierten Abschnitte der Elektrodenbaugruppe 70 zum Beispiel die gesonderten Elektroden 80 bis 88. Die Elektroden 80 bis 88 werden im Verhältnis zur Ecke 90 der Elektrodenbaugruppe 70 derart positioniert, daß die entsprechenden Elektroden beim identischen Antriebselement 40 im Verhältnis zueinander winklig versetzt sind.
Die Versetzung zwischen den entsprechenden Elektroden tritt auf, wenn das identische Antriebselement 40 umgedreht und danach so angeordnet wird, daß die Elektrodenbaugruppen einander gegenüberliegen. Die winklige Versetzung der Elektroden in den zwei Antriebselementen 38 und 40 ermöglicht, daß die Elektroden einander auf schwingende Weise mit einer Frequenz anziehen, die doppelt so groß ist wie die angelegte Frequenz, was entgegengesetzt gerichtete Drehschwingungen der Elektroden und der entsprechenden Mittelabschnitte der Antriebselemente verursacht. Mit den zwei Antriebselementen werden elektrische Signalquellen verbunden, um an die Elektroden Steuersignale anzulegen. Die Steuersignale steuern vorzugsweise jedes Antriebselement mit seiner Resonanzfrequenz an. Vorzugsweise sind die Resonanzfrequenzen der Antriebselemente 38 und 40 identisch und betragen typischerweise etwa 5 kHz.
Die zwei mittleren Antriebselemente 38 und 40 bilden zusammen einen mechanischen Torsionsresonanz-Gegendrehungsoszillator. Die zwei äußeren Geschwindigkeitsabfühlelemente 34 und 36 bilden zusammen ein abgestimmtes Zweiachsen-Trägheitsgeschwindigkeitsabfühlsystem.
Unter Bezugnahme auf 1, 3 und 7 hat der Mittelabschnitt 52 des Antriebselements 38 eine Dicke, die geringer ist als die Dicke des Rahmens 50. Der Mittelabschnitt 150 des Antriebselements 40 ist ebenfalls dünner als dessen Rahmen 100. Der Dickenunterschied zwischen den Mittelabschnitten und den Rahmen bewirkt, daß zwischen den Mittelabschnitten ein kleiner Spalt vorhanden ist, wenn der Rahmen 50 des Antriebselements 38 und der Rahmen 100 des Antriebselements 40 aneinander gebunden werden.
Unter Bezugnahme auf 1, 2 und 7 haben die Geschwindigkeitsabfühlglieder 34 und 36 Abfühlelemente 110 bzw. 112. Das Geschwindigkeitsabfühlglied 34 schließt einen Mittelabschnitt 120 und eine Vielzahl von nachgiebigen Blattfedern 122 bis 125, die sich vom Mittelabschnitt 120 bis zum Abfühlelement 110 erstrecken, ein. Ähnlich hat das Geschwindigkeitsabfühlglied 36 Blattfedern 130 bis 133, die sich von dessen Mittelabschnitt 121 bis zum Abfühlelement 112 erstrecken. Das Abfühlelement 112 wird vorzugsweise als eine allgemein dünne rechteckige Struktur geformt, die eine allgemein rechteckige Mittelöffnung 113 hat. Der Mittelabschnitt 121 ist dicker als das Abfühlelement 112, das, wie in 2 und 7 zu sehen ist, dicker ist als die Blattfedern 130 bis 133. Die Coriolis-Beschleunigungen a_c verursachen diese Schwingungen, welche die Abfühlelemente 110 und 112 zwingen, wie in 2 gezeigt, um die Ausgangsachse x zu schwingen. Die gezeigten Coriolis-Beschleunigungen entsprechen dem Doppelten der Eingangsgeschwindigkeit mal die Momentangeschwindigkeit v⁺ des Abfühlelements 112, erzeugt durch die Zitterantriebsbewegung.
7 zeigt die Struktur an, die sich daraus ergibt, daß die Antriebselemente 38 und 40 aneinander gebunden werden und danach die Geschwindigkeitsabfühlelemente 34 und 36 an die Mittelabschnitte der hinteren Flächen der Antriebselemente 38 bzw. 40 gebunden werden. Nur die dicksten Mittelabschnitte 120 und 121 der Geschwindigkeitsabfühlelemente 34 bzw. 36 werden an die entsprechenden Antriebselemente 38 und 40 gebunden. Die Blattfedern 122 bis 125 und 130 bis 133 sind folglich frei, um mit kleiner Amplitude längs der Z-Achse, wie in 1 und 2 zu sehen, und in der Ebene des Papiers, wie in 7 zu sehen, zu schwingen.
Unter Bezugnahme auf 1 und 7 werden die Antriebselemente 38 und 40 und die Geschwindigkeitsabfühlelemente 34 und 36, nachdem sie aneinander gebunden sind, so in der Basis 22 angeordnet, daß die Ecken der Antriebselemente 38 und 40 die Basishalterungen 24 bis 27 berühren. Die Basishalterungen 24 bis 27 werden vorzugsweise jede so geformt, daß sie zwischen der Stützbasis 22 des mechanischen Oszillators und dem Rahmen 50 des Antriebselements 38 ein gedämpftes nachgiebiges Element umfassen. Dieses nachgiebige Element ist notwendig, um zu sichern, daß der mechanische Gegendrehungsoszillator eine einzige Resonanzfrequenz hat. Das nachgiebige Element gewährleistet außerdem den zusätzlichen Vorteil, zugeführte äußere Vibrationen zu dämpfen.
Wenn der Rotationssensor 20 vollständig zusammengebaut ist und an die Elektrodenbaugruppen beider Antriebselemente 38 und 40 Steuerspannungen angelegt werden, ist der Rotationssensor 20 bereit zur Verwendung beim Erfassen von Drehungen um die in 1 und 2 mit X und Y bezeichneten, in der gleichen Ebene liegenden, Achsen. Eine zugeführte Drehung um die X- oder die Y-Achse erzeugt in den Geschwindigkeitsabfühlelementen 110 und 112 Schwingungen außerhalb der Ebene. Diese Schwingungen außerhalb der Ebene werden durch Coriolis-Kräfte außerhalb der Ebene verursacht, die durch eine Drehung des Gegenstands um eine Achse in der Ebene, wie in 2 gezeigt, an einem Gegenstand erzeugt werden, der in der Ebene schwingt. Die Blattfedern 122 bis 125 und 130 bis 133 ermöglichen als Reaktion auf zugeführte Drehungen ein entsprechendes Maß an Schwingung außerhalb der Ebene um die Achse in der Ebene. Die zwei Geschwindigkeitsabfühlelemente 110 und 112 haben vorzugsweise X-Achsen-Resonanzfrequenzen, die wesentlich gleich sind. Ähnlich sind die Y-Achsen-Resonanzfrequenzen der Geschwindigkeitsabfühlelemente 110 und 112 vorzugsweise gleich. Diese Resonanzfrequenzen sind vorzugsweise gleich der Schwingungsfrequenz des Antriebselements.
Die durch eine zugeführte Drehung verursachten Schwingungen außerhalb der Ebene entweder um die X- oder um die Y-Achse bewirken, daß sich die relativen Versetzungen zwischen den Antriebselementen 38 und 40 und den entsprechenden Geschwindigkeitsabfühlelementen 110 und 112 verändern. Diese sich verändernden Versetzungen sind als Veränderungen der Kapazität zu sehen, was einen kapazitiven Fühler bereitstellt, der anschließend erläutert wird.
In 1 und 7 wird der Mittelabschnitt des Antriebselements 40 durch die Bezugszahl 150 angezeigt. Es wird ebenfalls angezeigt, daß das Antriebselement 40 Biegungsträger 152 und 154 hat, die den Biegungsträgern 61 bzw. 63 des Antriebselements 38 entsprechen.
8 illustriert schematisch den kapazitiven Signalfühler. Ein Oszillator 160 liefert den Geschwindigkeitsabfühlelementen 110 und 112 ein Referenzerregungssignal mit einer Frequenz ω_c. Die Referenzerregung kann eine Spannung von etwa 10 Volt und eine Frequenz von ω_c = 250 kHz haben. Zwischen dem Antriebselement 38 und dem Geschwindigkeitsabfühlelement 110 werden Kondensatoren 162 und 164 gebildet. Zwischen dem Antriebselement 40 und dem Geschwindigkeitsabfühlelement 112 werden Kondensatoren 166 und 168 gebildet. An die Kondensatoren 162 und 166 wird eine Steuerspannung von etwa +10 Volt angelegt. An die Kondensatoren 164 und 168 wird eine Steuerspannung von etwa –10 Volt angelegt. Elektrische Leitungen 170 bis 173 leiten die Schwingungssignale weiter, die den unten erörterten Signalverarbeitungsschaltungen die Drehgeschwindigkeit anzeigen.
Unter Bezugnahme auf 9 wird eine Grundform für die Signalverarbeitung für Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, die sowohl für die X- als auch für die Y-Achse zwei Abfühlelemente, wie beispielsweise die in den Geschwindigkeitsabfühlelementen 34 und 36 gezeigten, einschließen. Die Drehgeschwindigkeit wird an das erste und das zweite X-Achsen-Sensorelement 200 und 202 und an das erste und das zweite Y-Achsen-Sensorelement 204 und 206 angelegt. Die Ausgaben des ersten und des zweiten X-Achsen-Sensorelements 200 bzw. 202 werden in einen Summierer 208 eingespeist. Ähnlich werden die Ausgaben des ersten und des zweiten Y-Achsen-Sensorelements 204 bzw. 206 in einen Summierer 210 eingespeist. Die Summierer 208 und 210 liefern Größenwandlern 212 danach die X- und Y-Achsen-Drehungssignale.
Die Sensorkreise 200 bis 206 können identisch sein. Eine Struktur für jeden von vier Sensorkreisen 200 bis 206 wird in 10 gezeigt. Die Winkelgeschwindigkeit wird an den Geschwindigkeitssensor 34 angelegt. Eine Fühlerbaugruppe 214 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Reaktion des Sensorelements 110 auf die Drehgeschwindigkeit anzeigt. Die Signalausgabe von der Fühlerbaugruppe 214 repräsentiert das durch Coriolis-Kräfte aus den Gegendrehungsantriebsbewegungen mit der Frequenz ω_D, wie in 2 gezeigt, erzeugte dynamisch modulierte Signal Diese phasengleichen Signale können arbiträr als eine Kosinusfunktion des Steuersignals bezeichnet werden. Ein Signal, das dynamische Phasenverschiebungsfehler anzeigt, kann dann als eine Sinusfunktion des Steuersignals gekennzeichnet werden.
Danach wird die Ausgabe der Signalfühlerbaugruppe 214 durch einen Verstärker 230 verstärkt. Der Verstärker 230 liefert einem Paar von Demodulatoren 232 und 236, die das Signal mit sin ω_Dt bzw. cos ω_Dt demodulieren, Ausgaben. Die Ausgaben der Demodulatoren 232 und 236 werden entsprechenden Servo-Ausgleichskreisen 234 bzw. 237 zugeführt. Die Signalausgabe des Servo-Ausgleichskreises 234 ist das Winkelgeschwindigkeitssignal, das zum entsprechenden Summierer 208 oder 210 von 9 geschickt wird. Die aus den Servo-Ausgleichskreisen 234 und 237 ausgegebenen Signale werden ebenfalls Drehmomenterzeugungsmodulatorkreisen 238 und 240 zugeführt, welche die denselben zugeführten Signale mit sin ω_Dt bzw. cos ω_Dt modulieren. Die aus den Drehmomenterzeugungsmodulatorkreisen 238 und 240 ausgegebenen Signale werden einem Summierer 242 zugeführt. Die Ausgabe des Summierers 242 wird danach in die Abfühlelement-Drehmomenterzeugungselektroden 227a bis 227d am Antriebselement 38 von 5 eingespeist, um dem Abfühlelement 34 ein Rückführungsdrehmoment zu liefern.
11 illustriert Signalverarbeitungsschaltungen, bei denen Signale von beiden Abfühlelementen in einer Erfassungsschleife kombiniert werden. An die Sensorelemente 34 und 36, die durch Coriolis-Kräfte mit der Steuerfrequenz wo moduliert werden, wird eine X-Geschwindigkeitseingabe angelegt. Fühlerkreise 254 und 256 erzeugen Amplitudengänge des ersten und des zweiten Geschwindigkeitsabfühlelements 34 und 36 mit der Frequenz wo. Verstärker 260 und 262 verstärken die von den Kreisen 254 bzw. 256 ausgegebenen Signale. Ein Summierer 264 erzeugt ein Signal, das die Summe der von den Kreisen 254 bzw. 256 ausgegebenen Signale anzeigt, und ein Summierer 266 erzeugt ein Signal, das die Differenz der von den Kreisen 254 bzw. 256 ausgegebenen Signale anzeigt. Danach werden die Summen- und Differenzsignale in einen Demodulator 270 eingespeist, der phasengleiche und phasenverschobene Demodulation ausführt. Die Ausgabe des Demodulators 270 wird in einen Servo-Ausgleichskreis 272 eingespeist, der danach die gemessene Drehgeschwindigkeit um die X-Achse erzeugt.
Ein Signal aus dem Servo-Oszillator 274 des angetriebenen Elements wird zum Demodulator 270 und zu einem Modulier- und Summierkreis 276 weitergeleitet, der eine phasengleiche und phasenverschobene Drehmomentmodulation und -summierung liefert. Der Modulier- und Summierkreis 276 empfängt Signale aus dem Servo-Ausgleichskreis 272 und liefert ein Rückführungsdrehmomenterzeugungssignal für die Abfühlelemente 110 und 112 in den Abfühlgliedern 34 und 36.
Die Erfindung schließt vorzugsweise für die Y-Achse eine mit der von 11 identische Vorrichtung ein.
11 zeigt, daß aus den Signalen von den beiden Abfühlelementen 34 und 36 die Summe und die Differenz gebildet werden, bevor die Rückführungsdrehmomente angelegt werden. Diese Herangehensweise steigert den Gütefaktor der Ausgangsachsenabstimmung. Falls jedes Abfühlelement unabhängig erfaßt würde, würde der Gütefaktor dadurch abgeschwächt werden, daß nicht ermöglicht würde, daß die Rückführungsdrehmomente auf eine Gegenschwingungsweise phasenverriegelt werden, wobei sich die Reaktionsdrehmomente für jedes Element gegeneinander ausgleichen. In der Basishalterung würde Energie abgeführt, falls jedes Element unabhängig erfaßt würde. Um die Sensorablenkungen vollständig zu erfassen, müssen sowohl die phasengleichen und die phasenverschobenen Signale als auch die Summen- und die Differenzsignale genullt werden. Das Signal, das die angelegte Geschwindigkeit anzeigt, ist die phasengleiche Komponente des Differenzsignals. Die anderen Rückführungsdrehmomente korrigieren Gleichtakt- und Phasenverschiebungsdrehmomente aus unerwünschten Kreuzkopplungseingaben und Winkelbeschleunigungseingaben.
Es gibt mehrere bedeutsame und einzigartige Merkmale des Rotationssensors 20, die Vibrationsberichtigungsfehler verringern und die Abweichungswiederholbarkeit verbessern. Diese Merkmale ermöglichen, daß der Rotationssensor 20 die Leistungs- und Umgebungsanforderungen erfüllt, damit der Rotationssensor 20 die folgenden Navigationsanforderungen erfüllt:
Abweichungswiederholbarkeit – 0,01°/h
Normierungsfaktorfehler – 20 PPM
Winkelzufallsbewegung – 0,001°/√h und
G-Empfindlichkeit – weniger als 0,01/h/G
Zuerst wird für beide Achsen eine Gleichtakt-Unterdrückung von linearer Vibration dadurch erreicht, daß die Schwerpunkte der Abfühlelemente 110 und 112 mit ihren Aufhängungsmittelpunkten übereinstimmen. Außerdem gibt es keine Sorge um die Anpassung und den Gleichlauf der Phase und der Verstärkung von unabhängigen Beschleunigungssensoren, wie sie bei anderen Mechanisierungen von Vibrationsgeschwindigkeitssensoren verwendet werden. Zweitens wird das Trägheitsgeschwindigkeitsabfühlelement mechanisch von Antriebskräften außerhalb der Ebene isoliert, die einen systematischen Fehler einführen. Drittens entwickelt die Antriebskraft keine relative Bewegung zwischen dem Trägheitsgeschwindigkeitsabfühlelement und seinem Fühler, weil sich jedes Antriebselement und sein zugeordnetes Abfühlelement als eine einzige Einheit zusammen bewegen. Viertens ist die mechanische Torsionsoszillatorbaugruppe der Antriebselemente 38 und 40 und der Abfühlelemente 34 und 36 austariert, was die Empfindlichkeit für Veränderungen in äußeren mechanischen Impedanzen auf ein Minimum verringert, die ebenfalls zu systematischen Fehlern führen kann.
Die mechanischen Schwingungen der Antriebselemente 38 und 40 gewährleisten die notwendige Vibrationsgeschwindigkeitserregung für eine Zweiachsen-Coriolis-Winkelgeschwindigkeitsmessung. Die Federkonstante der vier Biegungselemente 60 bis 63 und die Trägheiten der schwingenden Elemente 52 und 34, verbunden mit den anderen vier Biegungselementen des Antriebselements 40 und den Trägheiten der schwingenden Elemente 36 und 150, legen die Oszillator-Resonanzfrequenz fest, während die Spitzengeschwindigkeitsamplitude durch den Oszillatorfühler abgefühlt und dadurch gesteuert wird, daß die Ansteuerelektronik an die Ansteuerelektroden an den gegenüberliegenden Flächen der schwingenden Platten Signale anlegt. An den gegenüberliegenden Flächen der schwingenden Platten befinden sich die Fühler-/Anregerelektroden, die verwendet werden, um jede Achse der Trägheitsgeschwindigkeitsabfühlelemente 110 und 112 kräftemäßig nachzugleichen. Es sollte bemerkt werden, daß alle Ansteuerungs-, Fühler-/Anregerelektroden und elektrischen Kontakte auf den mechanischen Oszillator beschränkt sind.
Die natürliche Frequenz des mechanischen Oszillators liegt in der Größenordnung von 5 kHz, wobei die Resonanzfrequenz des gesamten Rotationssensorchips und der nachgiebigen Basishalterungselemente in der Größenordnung von 1 kHz liegt. Daher kann eine gewünschte Bandbreite von 500 Hz leicht erreicht werden.
Im Betrieb werden das obere Geschwindigkeitsabfühlglied 36 und das untere Geschwindigkeitsabfühlglied 34 durch die Antriebselemente 38 und 40 in der Phase um 180° verschoben angesteuert. Das obere und das untere Geschwindigkeitsabfühlelement 110 und 112 sprechen durch Schwingen um eine Achse senkrecht sowohl zur Eingangsachse als auch zur Achse des mechanischen Oszillators auf die Eingabe einer Winkelgeschwindigkeit um eine Achse senkrecht zur Achse des mechanischen Oszillators an. Komponenten dieser Coriolis-induzierten Schwingung des Geschwindigkeitsabfühlelements werden, wie in 8 gezeigt, durch kapazitive X- und Y-Achsenfühler abgefühlt. Diese Fühlersignale werden an den X- und den Y-Kanal der Rotationssensor-Servoeelektronik angelegt, die Rückführungsspannungen bereitstellt, um die Geschwindigkeitsabfühlelemente 110 und 112 elektrostatisch auf Null zurückzuzwingen. Die Größen der Rückführungsspannungen an jeder Achse sind linear proportional zu den X- und Y-Komponenten der Eingangswinkelgeschwindigkeit.
Die Signalverarbeitungsschaltungen steuern sowohl die phasengleichen als auch die phasenverschobenen Signale auf eine Weise, die es ermöglicht, daß die Schleife eine integrale Verstärkung bei der Frequenz wo des mechanischen Oszillators hat, während sie ein Gleichstromsignal, proportional zur Winkelgeschwindigkeit, liefert.
Unter Bezugnahme auf die Größenwandler 212 in 9 wird ein Zweibereich-Umwandlungsansatz mit Hochgeschwindigkeits-Oversampling angewendet. Ein ΔΣ-Modulator vierter Ordnung mit großer Dynamik wandelt das analoge Geschwindigkeitssignal in einen seriellen Bitstrom um, wobei jedes Bit eine Winkel-Δθ repräsentiert. Diese Δθ-Bits werden danach summiert und durch einen Mikroprozessor bei 5 kHz abgetastet, was ein Faktor, zehnmal so hoch wie die Bandbreite, ist, und es wird eine Hochgeschwindigkeitsmittelung durchgeführt. Da das Signal Rauschen enthält, führt dieses Verfahren zu einer verbesserten Auflösung.
Der Sensor 20 arbeitet vorzugsweise im Modus eines geschlossenen Kreises, was ermöglicht, daß die Abfühlachsen abgestimmt werden, um die Zufallsbewegung gegenüber rückkopplungsfreien Vorrichtungen in Größenordnungen zu verringern. Die Zufallsbewegung eines rückkopplungsfreien Stimmgabelkreisels verschlechtert sich zum Beispiel proportional zu seiner Bandbreite, da die Fühlerempfindlichkeit weiter abnimmt, wenn sie weiter von der Vibrationsfrequenz der Gabel weg abgestimmt wird, um eine höhere Bandbreite zu erreichen.
Die schwingende Antriebsbewegung oder ihre sich ergebende Beanspruchung erscheint nicht am Fühler. Eine vollständige Beseitigung einer der schädlichsten Fehlerquellen wird dadurch erreicht, daß sich die Basis des Versetzungsfühlers mit dem Abfühlelement bewegt. Dieses Merkmal behebt vollständig die verbundene Kopplung der Mängel an der schwingenden Oberfläche der empfindlichen Elemente, wenn sie über dem Fühler schwingen. Selbst wenn die Oberflächengüte des mikrobearbeiteten Siliziums in der Größenordnung von 0,02 Mikrozoll (0,5 nm) liegt, ist sie noch viele Größenordnungen größer als die Bewegungsamplitude, die für eine Leistung von 0,01 °/h zerlegt werden muß. Diese Technik des beweglichen Fühlers beseitigt ebenfalls Wirkungen auf Grund einer beliebigen Nenn-Neigung des empfindlichen Elements während der Mikrobearbeitung. Das Signal von einer solchen Neigung würde sich proportional zum Produkt der Neigung und der Winkelschwingungsamplitude in die Ausgabe einkoppeln. Bei vielen anderen Coriolis-Abfühlvorrichtungen verwendet der Fühler piezoresistive oder piezoelektrische Beanspruchungsabfühlwandler, um die Coriolis-Kräfte zu erfassen. Unglücklicherweise müssen diese Fühler die vollständige Beanspruchung der angesteuerten Schwingung entkoppeln, die viele Milliarden Male größer ist als die zum Zerlegen von 0,01°/h erforderliche Beanspruchung.
Die vorliegende Erfindung gewährleistet eine inhärente Gleichtakt-Unterdrückung von linearer Vibration. Die Abfühlelemente 110 und 112 werden inhärent so austariert, daß ihre Schwerpunkte an ihren Aufhängungsmittelpunkten liegen. Sie sind nicht freitragend wie bei vielen anderen Auslegungen. Daher wird für zugeführte lineare Vibrationen keine Ausgabe erzeugt. Für freitragende Prüfmassen wird die Differenz der Signale von zwei Ausgaben gebildet, um die Empfindlichkeit für Vibration zu unterdrücken. Dies bedeutet, daß für eine solche Aufhebung sehr gute Verstärkung und Phasenanpassung entscheidend sind.
Für eine Resonanzfrequenz von 5000 Hz und eine Spitzengeschwindigkeit von 0,5 Meter/s beträgt die Spitzen-Coriolis-Beschleunigung für eine Eingangsgeschwindigkeit von 0,01°/h 0,005 μG. Die Spitzenausgangsachsenversetzung beträgt für diese Beschleunigung bei 5000 Hz 5,1 × 10^–11 Mikrometer. Für einen konservativen Q-Wert von 500 um die Ausgangsachse wird sich diese Bewegung auf 2,5 × 10^–8 Mikrometer verstärken. Ein Fühler mit einem Nennspalt von 10 Mikrometer wird für eine 5-Volt-Brückenquelle 1,2 nV und eine geschätzte Streu- und Rückwandkapazität von immerhin der fünffachen Spaltkapazität erzeugen. Dies ergibt einen Normierungsfaktor von 120 nV pro°/h. Da heutige Geräteverstärker ein Rauschen, besser als 4 nV/√Hz, haben, wäre das weiße Rauschen des Rotationssensors besser als 0,05°/h/√Hz, mit Spielraum für eine Umwandlung auf Effektivwert und Vollwellendemodulation. Dieses Rauschen läßt sich in eine Zufallsbewegung, besser als 0,001°/h/√Hz, umwandeln. Falls höhere Q-Werte erzielt werden, dann wird diese Zahl proportional abnehmen.
Beim Betrieb des Rotationssensors 20 werden die Coriolis-Kräfte, die erzeugt werden, wenn eine Geschwindigkeit um eine Achse senkrecht zur Schwingungsachse angelegt wird, die empfindlichen Elemente zwingen, außerhalb der Ebene zu vibrieren. Signale von an den Platten angrenzend an die Abfühlelemente angebrachten Fühlern messen diese Bewegungen, werden verstärkt und danach dazu verwendet, Rückführungsdrehmomente zu erzeugen, um die Wirkung der Coriolis-Kräfte aufzuheben. Das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Abfühlelemente 110 und 112 bei Null zu halten, ist ein Maß der Eingangswinkelgeschwindigkeit.
12 bis 16 illustrieren eine vereinfachte Mechanisierungsausführungsform eines Sensors. Den Rotationssensor 300 kann man sich im wesentlichen als eine Einzelachsenversion der oberen Hälfte des Rotationssensors 20 von 1 vorstellen. Der Rotationssensor 300 kann entweder rückkopplungsfrei oder als geschlossener Kreis betrieben werden und kann durch Mikrobearbeitung oder durch elektro-erosive Bearbeitung hergestellt werden.
Der Rotationssensor 300 schließt eine Basis 302, ein Antriebselement 304 und ein Sensorelement 306 ein. Die Basis 302 hat eine zylindrische Außenwand 308, die einen hohlen zylindrischen Bereich 310 umschließt. Die Basis 302 hat ein offenes oberes Ende und ein unteres Ende, das eine Grundplatte 312 umfaßt. Die Platte 312 hat eine erhöhte Mittelnabe 314. Durch ein Metallisierungsverfahren wird an der Grundplatte 312 ein Satz von miteinander verbundenen Ansteuerelektroden 316 geformt.
Das Antriebselement 304 hat einen äußeren Drehmomenterzeuger-/Fühlerring 320, der in den zylindrischen Bereich 310 der Basis 302 paßt. 15 ist eine Unteransicht des Antriebselements 304, die einen an demselben geformten zweiten Satz von miteinander verbundenen Ansteuerelektroden 322 zeigt. Die zwei Sätze von Elektroden 316 und 322 werden so angeordnet, daß entsprechende Elemente der zwei Sätze winklig zueinander versetzt sind. Das Anlegen von sich verändernden elektrischen Signalen an die Elektroden erzeugt ein Drehmoment zwischen dem Antriebselement 304 und der Basis 302.
12 und 14 illustrieren die obere Fläche des Antriebselements 304. Die Oberfläche des Antriebselements 304 wird in zwei wesentlich identische metallisierte Elektroden 330 und 331 geteilt, die zum Signalabgreifen und zum Ausüben eines Rückführungsdrehmoments auf das Abfühlelement 306 verwendet werden können.
Das Antriebselement 304 schließt eine mittige Befestigungsnabe 340 ein, die an der erhöhten Mittelnabe 314 der Basis 302 angebracht wird. Das mittige Befestigungselement 340 wird durch entsprechendes Ätzen oder Mikrobearbeiten des Materials, welches das Antriebselement 304 bildet, hergestellt. Das mittige Befestigungselement 340 kann wesentlich zylindrisch oder rechteckig sein und wird, wie in 14 gezeigt, durch eine Vielzahl von dünnen Trägern 350 bis 353 mit dem äußeren Ring 320 verbunden. Die Träger 350 bis 353 werden vorzugsweise mit einem Winkelabstand von 90° angeordnet.
Das durch die Wechselwirkung der zwei Sätze von Ansteuerelektroden 316 und 322 erzeugte Antriebsdrehmoment bewirkt, daß sich die Träger 350 bis 353 biegen, so daß das Antriebselement 304 in einer Ebene um die Antriebsachse schwingt. Das Abfühlglied 306 schließt einen äußeren Stützring 360 und ein Abfühlglied 362 ein. Der Stützring 360 wird so am äußeren Ring 320 des Antriebselements 304 angebracht, daß das Abfühlglied 306 ebenfalls um die Antriebsachse schwingt.
Das Abfühlelement 362 wird durch ein Paar von in Radialrichtung erweiterten Drehstabfedern 364 und 366 am Stützring 360 befestigt. 17 bis 19 illustrieren verschiedene Querschnitte für die Drehstabfedern 364 und 366. Eine Linie durch die Drehstabfedern 364 und 366 definiert die Ausgangsachse des Rotationssensors 300.
Wenn der Rotationssensor 300 um die Antriebsachse schwingt, bewirken Coriolis-Kräfte, daß sich das Abfühlelement 362 als Reaktion auf eine Drehung um die Eingangsachse um seine Ausgangsachse dreht. Die Kapazitätsveränderung zwischen dem Abfühlelement 362 und den metallisierten Sektionen 330 und 331 des Antriebselements 304 zeigt die Drehgeschwindigkeit des Rotationssensors 300 an.
Die metallisierten Sektionen 330 und 331 und die untere Fläche des Abfühlelements 362 können ebenfalls dazu verwendet werden, ein Rückführungsdrehmoment auf das Abfühlelement 362 auszuüben. Im Normalbetrieb wird ein ausreichendes Drehmoment ausgeübt, um das Abfühlelement 362 zu seiner neutralen Position zu steuern. Die Ausgabe des Sensors ist das elektrische Signal, das an die Drehmomenterzeuger-Elektroden angelegt werden muß, um das Abfühlelement 362 in der neutralen Position zu halten.
Falls das Abfühlelement 362 so ausgelegt wird, daß es eine natürliche Schwingungsfrequenz hat, die von der Ansteuerfrequenz abweicht, dann kann der Sensor 300 rückkopplungsfrei betrieben werden. In diesem Fall kann das Fühlersignal verstärkt und danach mit dem Ansteuerfrequenz-Referenzsignal demoduliert werden, um eine Winkelgeschwindigkeitsausgabe zu erzeugen.
20A illustriert einen Zweiachsen-Winkelgeschwindigkeitssensor 400 mit zweifacher Gegenschwingung nach der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 400 schließt ein oberes und ein unteres Antriebselement 414 bzw. 416 ein, die vorzugsweise wesentlich identisch mit dem oben beschriebenen Antriebselement 304 sind. Der Sensor 400 schließt außerdem ein oberes und ein unteres Abfühlglied 412 bzw. 418 ein, die vorzugsweise wesentlich identisch mit dem Abfühlglied 306 sind, das ebenfalls oben beschrieben wird.
Der Sensor 400 schließt eine Grundplatte 402 ein, die in einem Gehäuse 404 angeordnet wird. Eine Vielzahl von nachgiebigen, gedämpften Kissen 406 wird zwischen dem unteren Teil der Grundplatte 402 und der Basisplatte 408 des Gehäuses 404 angeordnet. Die Grundplatte 402 schließt eine erhöhte Mittelnabe 410 ein. Wenn der Sensor 400 vollständig zusammengebaut ist, wird eine Kappe 420 an einem oberen Rand des Gehäuses 404 befestigt, zum Bereitstellen einer Isolierung gegenüber äußeren Verunreinigungen und zum Betreiben in einem Vakuum.
Die erhöhte Mittelnabe 410 der Grundplatte 402 erstreckt sich durch einen Mitteldurchgang 440 im unteren Abfühlglied 412. Das untere Treiberelement 414 hat ein mittiges Befestigungselement 438, dessen untere Fläche an der oberen Fläche der erhöhten Mittelnabe 410 angebracht wird. Das untere Abfühlglied 412 hat einen äußeren Rand 442, der mit einem äußeren Rand 444 des unteren Treiberelements 414 verbunden wird. Der obere Treiber 416 hat ein mittiges Befestigungselement 446, das mit dem mittigen Befestigungselement 438 des unteren Treiberelements 414 verbunden wird. Das obere Abfühlglied 418 hat einen äußeren Rand 450, der an einem äußeren Rand 452 des oberen Treiberelements 416 angebracht wird.
Das obere Treiberelement 416 und das obere Abfühlglied 418 sind identisch mit dem unteren Treiberelement 414 bzw. dem unteren Abfühlglied 412. Wenn sie im Sensor 400 angebracht werden, werden das obere Treiberelement 416 und das obere Abfühlglied 418 im Verhältnis zu dem unteren Treiberelement 414 bzw. dem unteren Abfühlglied 412 umgekehrt.
Das untere Abfühlglied 412 wird so angeordnet, daß es eine erste Torsionsachse hat, definiert durch ein Paar von in Radialrichtung ausgerichteten Drehstabfedern 454 und 456, die ein Abfühlelement 460 tragen. Das obere Abfühlglied 418 wird so angeordnet, daß es eine zweite Torsionsachse hat, definiert durch ein Paar von in Radialrichtung ausgerichteten Drehstabfedern 462 und 464, die ein Abfühlelement 466 tragen. Für einen Zweiachsen-Geschwindigkeitssensor liegt die zweite Torsionsachse vorzugsweise senkrecht zur ersten Torsionsachse.
Die Treiberelemente 414 und 416 haben Treiberelektroden 470 und Drehmomenterzeuger-Elektroden 472. Die Treiberelektroden des unteren Treiberelements 414 und des oberen Treiberelements 416 liegen einander allgemein gegenüber, wobei entsprechende Elektroden des unteren Treiberelements 414 und des oberen Treiberelements 416, wie oben beschrieben, winklig zueinander versetzt sind. Daher verursacht das Anlegen einer Ansteuerspannung an die Treiberelektroden, daß die Treiber 414 und 416 in der Ebene um Träger 478 bis 481 im unteren Treiberelement 414 und Träger 484 bis 487 im oberen Treiberelement 416 schwingen. Daher schwingt die Baugruppe aus den Treibern 414 und 416 und den Abfühlgliedern 412 und 418 um die in 20A angezeigte Antriebsachse. Die Schwingungen des oberen Treiberelements 416 und des oberen Abfühlglieds 418 sind in der Richtung entgegengesetzt zu den Schwingungen des unteren Treiberelements 414 und des unteren Abfühlglieds 412. Diese Schwingungen erfolgen auf der doppelten Frequenz des an die Ansteuerelektroden 470 angelegten Ansteuersignals, so daß eine beliebige Kopplung des Ansteuersignals an die Abfühlglieder 412 und 418 nicht als Geschwindigkeitsfehler erfaßt wird.
20B illustriert einen Einzelachsen-Drehgeschwindigkeitssensor 400a. Der Sensor 400a unterscheidet sich nur darin vom Sensor 400, daß das untere Abfühlelement 412 von 20A durch ein Abfühlelement 418a ersetzt wird, das wesentlich identisch mit dem Abfühlelement 418 von 20A ist. Die Bestandteile des Abfühlelements 418a haben die gleichen Bezugszeichen wie das Abfühlelement 418, mit der Hinzufügung des Buchstaben „a".
Das Abfühlelement 418a hat Drehstabfedern 462a und 464a, die parallel zu den Drehstabfedern 462 bzw. 464 sind. Daher haben die zwei Abfühlelemente 418 und 418a parallele Abfühlachsen, definiert durch die Torsionsachsen der Abfühlelemente 418 und 418a. Der Drehgeschwindigkeitssensor 400a hat den Vorzug, eine Gleichtakt-Unterdrückung für Winkelschwingungseingaben in dieser Einzelachsen-Abfühlvorrichtung zu gewährleisten.
21 ist eine Querschnittsansicht, die den Sensor 400 von 20A zeigt, vollständig zusammengebaut durch Verbinden der Bestandteile miteinander an den Bondflächen 411a bis 411d.
22 illustriert einen anderen Sensor. 22 zeigt einen Winkelgeschwindigkeitssensor 500 mit einem Antriebselement 502, einem angetriebenen Element 504, einem leitfähigen Abfühlglied 506 und einem Fühler-/Drehmomenterzeugungsglied.
Das Antriebselement 502 schließt vorzugsweise ein aus Pyrex-Glas, Keramik oder einem anderen ähnlichen Isolationsmaterial hergestelltes Substrat 509 ein. Das Antriebselement 502 schließt eine Vielzahl von Ansteuerelektroden 510 und eine Vielzahl von Treiberfühlerelektroden 512, auf die Oberfläche des Substrats 509 metallisiert, ein. Das Antriebselement 502 schließt vorzugsweise eine mittige rechteckige Bondfläche 513 ein.
24 illustriert die Oberfläche 514 des angetriebenen Elements 504, die dem Antriebselement 502 gegenüberliegt. Das angetriebene Element 504 wird vorzugsweise als eine Siliziumscheibe hergestellt. An der Oberfläche 514 des angetriebenen Elements wird eine Vielzahl von Elektroden 516 geformt. Die Elektroden 516 bleiben übrig, nachdem Kerben 517 in die Oberfläche 514 geätzt werden. Die Kerben werden vorzugsweise bis zu einer Tiefe von etwa 0,003 Zoll (76 μm) geätzt. Die unteren Flächen der Kerben werden danach metallisiert, um die Elektroden 516 herzustellen. Die Elektroden 516 sind seitlich zu den Ansteuerelektroden 510 versetzt, so daß das Anlegen eines elektrischen Signals auf die oben für andere Ausführungsformen von Sensoren beschriebene Weise ein Drehmoment am angetriebenen Element 504 erzeugt.
Der Mittelabschnitt des angetriebenen Elements ist eine anodische Bondfläche 518, die auf zwei Paaren von in Radialrichtung verlaufenden Trägern 520 bis 523 getragen wird. Die anodische Bondfläche 518 hat allgemein eine rechteckige Form. Die Träger 520 bis 523 erstrecken sich von den Seiten der anodischen Bondfläche senkrecht nach außen. Die Oberfläche 514 des angetriebenen Elements wird vorzugsweise von der anodischen Bondfläche um eine Strecke von etwa 5 μm hinuntergeätzt. Die anodische Bondfläche 518 und die Träger 520 bis 523 werden vorzugsweise durch ein reaktives Ionenätzverfahren (RIE) hergestellt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 22 wird die obere Fläche 530 des angetriebenen Elements 504 vorzugsweise mit einer Oxidschicht 531 überzogen, um eine elektrische Isolation zu gewährleisten. Die untere Fläche des Abfühlglieds 506 wird vorzugsweise ebenfalls mit einer Oxidschicht 533 überzogen.
Das Abfühlglied 506 hat einen allgemein rechteckigen äußeren Rahmen 540. Innerhalb des Rahmens 540 wird durch Ätzen gerade innerhalb der Außenkanten des Rahmens 540 ein Abfühlelement 542 hergestellt. Das Ätzverfahren hinterläßt das allgemein rechteckige Abfühlelement 542 gestützt durch zwei in Radialrichtung ausgerichtete Drehstabfedern 544 und 546, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Enden des Abfühlelements und dem Rahmen 540 erstrecken. Der Rahmen 540 wird so an der oberen Fläche 530 des angetriebenen Elements 504 befestigt, daß Schwingungen des angetriebenen Elements 504 auf das Abfühlglied 506 übertragen werden.
Das Fühler-/Drehmomenterzeugungselement 508 wird vorzugsweise aus Pyrex-Glas, Keramik oder einem anderen ähnlichen Isolationsmaterial hergestellt. Das Fühler-/Drehmomenterzeugungselement 508 wird an den Rahmen 540 des Abfühlglieds 506 gebunden. Das Fühler-/Drehmomenterzeugungselement 508 schließt ein Paar von metallisierten Abschnitten 550 und 552 ein, die als Elektroden dienen, um, wie gezeigt, eine Erde oder eine Vorspannung für das angetriebene Element 504 bereitzustellen. Drähte 554 und 556 von den Elektroden 550 und 552 gehen durch einen Mitteldurchgang 560 im Fühler/Drehmomenterzeugungselement 508 und durch eine Öffnung 548 im Abfühlelement 542 hindurch.
Fühlerbewegungserfassung und Drehmomenterzeugung des Abfühlelements 542 werden durch Elektroden 557 und 559 gewährleistet, die auf den Boden des Fühler-/Drehmomenterzeugungselements 508 metallisiert werden.
23 ist eine Querschnittsansicht, die illustriert, wie zwei Sensoren wie der Sensor 500 Rücken an Rücken montiert werden können, um ein Sensorsystem 600 bereitzustellen, das keine Reaktionskraft auf sein Gehäuse 602 hat. Eine obere Abfühleinheit 604 und eine untere Abfühleinheit 606 werden an gegenüberliegenden Seiten eines Kopplungselements 608 angebracht. Die Abfühlachsen der oberen Abfühleinheit 604 und der unteren Abfühleinheit 606 liegen mit 90° zueinander, um einen Zweiachsensensor bereitzustellen. Als Alternative können die Abfühlachsen parallel zueinander angeordnet werden, um ein Einzelachsenabfühlen mit zweifacher Genauigkeit mit Winkelvibrationsunterdrückung für Frequenzen nahe der angesteuerten Frequenz zu gewährleisten.
Das Kopplungselement 608 hat ein Paar von Flanschen 610 und 612, die sich zum Gehäuse 602 hin erstrecken. Ein Paar von Stützen 614 und 616 wird innerhalb des Gehäuses 602 angebracht, um die Flansche 610 bzw. 612 aufzunehmen. Torsionsnachgiebige Halterungen 620, die in Scherung um die angetriebenen Achsen nachgiebig sind, werden vorzugsweise zwischen den Flanschen 610 und 612 und deren entsprechenden Stützen angeordnet, um zu ermöglichen, daß das Sensorsystem 600 mit einem gegenschwingenden Einzelfrequenz-Antrieb angetrieben wird.

Claims

Rotationssensor (400), der folgendes umfaßt: ein Gehäuse (404), eine im Gehäuse (404) angeordnete Grundplatte (402) mit einer Vielzahl von zwischen dem Gehäuse (404) und der Grundplatte (402) angeordneten nachgiebigen, gedämpften Kissen (406), ein erstes, zum Erzeugen von Drehschwingungen um eine Antriebsachse angeordnetes, Antriebselement (414), eine erste, mit dem ersten Antriebselement (414) verbundene, Abfühleinrichtung (412), ein mit dem ersten Antriebselement (414) verbundenes zweites Antriebselement (416), wobei das zweite Antriebselement (416) zum Erzeugen von Drehschwingungen um die Antriebsachse angeordnet wird, die in der Richtung zu den durch das erste Antriebselement (414) erzeugten Drehschwingungen entgegengesetzt sind, und eine zweite, mit dem zweiten Antriebselement (416) verbundene, Abfühleinrichtung (418), wobei die zweite Abfühleinrichtung (418) wesentlich mit der ersten Abfühleinrichtung (412) identisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationssensor (400) außerdem eine von der Grundplatte (402) vorstehende Nabe (410) umfaßt, und bei dem: das erste Antriebselement (414) mit der Nabe (410) verbunden wird, die erste Abfühleinrichtung (412) ein erstes Stützelement (442) hat, mit dem ersten Antriebselement (414) verbunden derart, daß Drehschwingungen des ersten Antriebselements (414) um die Antriebsachse auf das erste Stützelement (442) übertragen werden, wobei die erste Abfühleinrichtung (412) außerdem folgendes einschließt: ein erstes, mit dem ersten Stützelement (442) verbundenes und zum Schwingen mit dem ersten Stützelement (442) um die Antriebsachse angeordnetes, Abfühlelement (460), wobei das erste Abfühlelement (460) angeordnet wird zum drehenden Schwingen im Verhältnis zum ersten Stützelement (442) um eine erste Abfühlachse (454-456) senkrecht zur Antriebsachse bei Eingangsdrehgeschwindigkeiten um eine Eingangsachse, die senkrecht sowohl zur ersten Abfühlachse (454-456) als auch zur Antriebsachse ist, wobei das erste Abfühlelement (460) geformt wird derart, daß sein Trägheitsmoment um die Antriebsachse wesentlich gleich ist der Summe der Trägheitsmomente um seine zwei Hauptachsen senkrecht zur Antriebsachse, und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Signals, das die Eingangsdrehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen des ersten Abfühlelements (460) um die erste Abfühlachse (454-456) anzeigt, und bei dem die zweite Abfühleinrichtung (418) ein zweites, mit dem zweiten Antriebselement (416) verbundenes, Stützelement (450) und ein zum drehenden Schwingen im Verhältnis zum zweiten Stützelement (450) um eine zweite Abfühlachse (462-464) senkrecht zur Antriebsachse angeordnetes zweites Abfühlelement (466) hat und eine Vorrichtung einschließt zum Erzeugen eines Signals, das die Eingangsdrehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Amplitude der Schwingungen des zweiten Abfühlelements (466) um die zweite Abfühlachse (462-464) anzeigt.
Rotationssensor (400) nach Anspruch 1, bei dem die zweite Abfühlachse (462-464) senkrecht zur ersten Abfühlachse (454-456) ist.
Rotationssensor (400) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das erste Antriebselement (414) einen ersten Satz von Antriebselektroden einschließt und das zweite Antriebselement (416) einen zweiten Satz von Antriebselektroden einschließt, wobei das erste (414) und das zweite Antriebselement (416) in einer gegenüberliegenden Beziehung angeordnet werden derart, daß entsprechende Elemente des ersten und des zweiten Satzes von Elektroden winklig zueinander versetzt sind, so daß ein Anlegen eines elektrischen Signals an den ersten und den zweiten Satz von Elektroden ein Drehmoment an den Antriebselementen erzeugt, das Drehschwingungen der Antriebselemente in einer Ebene um die Antriebsachse erzeugt.
Rotationssensor (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Abfühleinrichtung (412, 418) folgendes einschließt: einen äußeren Stützring (442, 450), so an einem Antriebselement (414, 416) angebracht, daß Drehschwingungen des Antriebselements auf das Sensorelement übertragen werden, ein Abfühlelement (460, 466) innerhalb des Stützrings (442, 450) und ein Paar von zwischen dem äußeren Stützring (442, 450) und dem Abfühlelement (460, 466) angeschlossenen Drehstabfedern (454, 456; 462, 464), wobei das Paar von Drehstabfedern (454, 456; 462, 464) so ausgerichtet wird, daß es eine Ausgangsabfühlachse (454-456; 462-464) definiert.
Rotationssensor (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der außerdem folgendes umfaßt: einen ersten, an einem Antriebselement (414, 416) geformten, metallisierten Abschnitt und einen zweiten, an einem Abfühlelement (460, 466) geformten, metallisierten Abschnitt, wobei der erste und der zweite metallisierte Abschnitt einen Kondensator bilden, der eine Kapazität hat, die von der Drehgeschwindigkeit des Abfühlelements um eine Achse senkrecht zu der Antriebsachse und der Abfühlachse abhängt.
Rotationssensor (400) nach Anspruch 5, der außerdem eine mit dem ersten und dem zweiten metallisierten Abschnitt verbundene Vorrichtung zum Ausüben eines Rückführungsdrehmoments auf das Abfühlelement einschließt, um die Ausgangswinkelschwingungen auf Null zu bringen und das Abfühlelement in einer Nullstellung zu halten.
Rotationssensor (400) nach Anspruch 5, der außerdem folgendes umfaßt: eine Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Schwingungssignals mit einer Frequenz
an dem ersten und dem zweiten Satz von Antriebselektroden derart, daß die Antriebselemente (414, 416) mechanisch mit der Antriebsfrequenz ω_D schwingen, bei dem ein Abfühlelement (460, 466) so geformt wird, daß es eine natürliche Schwingungsfrequenz um die Drehstabfedern hat, die von der Antriebsfrequenz ω_D abweicht, so daß der Sensor ohne Rückwirkung arbeitet, und eine Vorrichtung zum Demodulieren von Signalen bei der Antriebsfrequenz wo, welche die Kapazität zwischen den metallisierten Abschnitten anzeigen.