KR100511845B1 - 자이로스코프 - Google Patents

자이로스코프 Download PDF

Info

Publication number
KR100511845B1
KR100511845B1 KR10-2000-7010150A KR20007010150A KR100511845B1 KR 100511845 B1 KR100511845 B1 KR 100511845B1 KR 20007010150 A KR20007010150 A KR 20007010150A KR 100511845 B1 KR100511845 B1 KR 100511845B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
axis
mode
resonator
respect
gyroscope
Prior art date
Application number
KR10-2000-7010150A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20010034602A (ko
Inventor
펠크리스토퍼
팍스콜린헨리존
Original Assignee
배 시스템즈 피엘시
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 배 시스템즈 피엘시 filed Critical 배 시스템즈 피엘시
Publication of KR20010034602A publication Critical patent/KR20010034602A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100511845B1 publication Critical patent/KR100511845B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
    • G01C19/5677—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators

Abstract

적어도 2개의 축에 대한 변화율을 감지하는 자이로스코프는 링 또는 후프와 같은 형의 구조를 갖는 대체로 평면인 진동 공진기(2)와 상기 공진기(2)를 Cosn1θ(여기서 n1은 2 이상의 정수 값을 가짐) 평면 내 캐리어 모드(in-plane carrier mode)로 진동하게 하는 캐리어 모드 구동 수단(carrier mode drive means; 4)을 포함한다. 또한 상기 자이로스코프는 상기 공진기(2)를 탄력적으로 지지하는 지지 수단(support means; 3), 상기 공진기의 평면 내 운동을 감지하는 캐리어 모드 픽오프 수단(carrier mode pick off means; 5), X축을 중심으로 하는 자이로스코프의 회전에 응답하여 상기 공진기의 평면 외 Cosnθ(여기서, n은 n1+1 또는 n1-1 값을 가짐) 응답 모드 운동을 감지하는 X축 응답 모드 픽오프 수단(X axis response mode pick off means; 8), 및 Y축을 중심으로 하는 자이로스코프의 회전에 응답하여 상기 공진기의 평면 외 Sinnθ(여기서 n은 X축 응답 모드에 대한 값과 동일한 n1+1 또는 n1-1 값을 가짐) 응답 모드 운동을 감지하는 Y축 응답 모드 픽오프 수단(9)을 포함한다.

Description

자이로스코프 {A GYROSCOPE}
본 발명은 적어도 2개의 축에 대하여, 바람직하게는 3개의 축에 대하여 변화율(rate)을 감지하기에 적합한 자이로스코프에 관한 것이다.
진동 구조 자이로스코프(vibrating structure gyroscope)는 다양한 다른 구조를 사용하여 공진 소자로 제조될 수 있다. 이러한 것에는 빔(beams), 음차(tuning forks), 실린더(cylinders), 반구상 쉘(hemispherical shells), 및 링(ring)을 포함한다. 성공적인 상업적 개발은 디바이스 성능의 최적화와 함께 원가의 최소화에 좌우된다. 어떤 응용에 있어서 부가적인 목적은 디바이스의 크기를 줄이는 것이다.
어떤 종래의 진동 구조 자이로(gyro)의 설계는 제조를 위해 최신의 마이크로-머시닝 기술(micro-machining techniques)을 사용하는 것이 적합하다. 이들은 벌크 실리콘(bulk silicon), 폴리실리콘(polysilicon) 또는 전기주조(electro-formed) 금속으로 구성된다. 이러한 제작 방법은 대량으로 그리고 절감된 원가로 미니어쳐 자이로(miniature gyros)를 생산할 수 있는 능력을 제공한다.
자이로스코픽 디바이스(gyroscopic devices)에 관한 많은 응용은 3개의 축 모두에 대한 변화율 감도(sensitivity)를 요구한다. 종래의 진동 구조 자이로는 단일 축의 변화율 감도를 제공하므로, 직교 축(orthogonal axies)을 따라 정렬된 3개의 디바이스가 요구된다. 공진기와 통합한 진동 구조 자이로 설계는 본질적으로 3개의 축 주위를 동시에 감지할 수 있으므로 큰 이득이 된다. 따라서 단일 디바이스로 종래의 세 개의 단일 축 유닛을 대체하므로, 명백한 원가 절감을 가져온다. 또한 세 개의 단일 축 자이로의 탑재 및 정렬 공정이 불필요하다.
따라서 적어도 2개의 축에 대한 변화율을 감지할 수 있는 개선된 자이로스코프가 요구된다.
도 1a는 본 발명을 따르지 않는 진동 구조 자이로스코프의 개략도.
도 1b는 도 1a의 구조를 갖는 변화율, 회전, 및 힘 벡터를 따르는 세 직교 축을 나타낸 도면.
도 2a 및 도 2b는 n1=2인 경우 Cosn1θ및 Sinn1θ방사상 변위를 나타내는 모드 쌍의 형태를 그래프식으로 나타낸 도면.
도 3a 및 도 3b는 n=3인 경우 도 2a 및 도 2b와 유사한 그래프식 형태를 나타낸 도면.
도 4a 및 도 4b는 n1=4인 경우 도 2a 및 도 2b, 그리고 도 3a 및 도 3b와 유사한 그래프식 형태를 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 Cos2θ평면 내 캐리어 모드인 경우 Y축에 대해 본 발명에 따른 자이로스코프의 회전에 의해 생성되는 힘 성분에 대한 3개의 축을 그래프식으로 표현한 도면.
도 6a 및 도 6b는 X축에 대한 회전을 도 5a 및 도 5b와 유사한 그래프식으로 표현한 도면.
도 7a 및 도 7b는 n=1인 경우 Cosnθ및 Sinnθ평면 외 변위를 나타내는 진동 모드 형태의 3개의 축에 대하여 그래프식으로 표현한 도면.
도 8a 및 도 8b는 n=2인 경우 도 7a 및 도 7b와 유사한 그래프식으로 표현한 도면.
도 9a 및 도 9b는 n=3인 경우 도 8a 및 도 8b와 유사한 그래프식 표현한 도면.
도 10a 및 도 10b는 n=4인 경우 도 9a 및 도 9b와 유사한 그래프식 표현한 도면.
도 11a는 본 발명에 따른 자이로스코프에 사용하기 적합한 공진기와 지지 레그의 도식적인 예시를 나타낸 평면도.
도 11b는 본 발명에 따른 자이로스코프에 사용되는 공진기와 지지 레그 구조를 보다 자세하게 보인 평면도.
도 12는 구동 및 픽오프 부재를 나타내는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자이로스코프의 부분 개략 평면도.
도 13은 도 12의 구조를 대각선에서 추가로 상세하게 나타낸 단면도.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자이로스코프의 부분 개략 평면도.
도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자이로스코프의 도식적인 부분 평면도.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 자이로스코프의 도식적인 부분 평면도.
도 17은 본 발명의 제5 실시예에 따른 자이로스코프의 도식적인 부분 평면도.
도 18은 본 발명의 제6 실시예에 따른 자이로스코프의 도식적인 부분 평면도.
본 발명의 제1 관점에 따르면, 동일한 축을 따라 연장되는 내주 및 외주를 사용하여 대체로 링 또는 후프(hoop)와 같은 형태의 구조를 갖는 대체로 평면인 진동 공진기(vibratory resonator), 상기 공진기를 Cosn1θ(여기서 n1은 2 이상의 정수 값을 가짐) 평면 내 캐리어 모드(in-plane carrier mode)로 진동하게 하는 캐리어 모드 구동 수단(carrier mode drive means), 상기 공진기를 탄력적으로 지지하고 관계된 상기 캐리어 모드 구동 수단에 응답하여 상기 공진기가 진동하도록 허용하는 지지 수단(support means), 상기 공진기의 평면 내 운동을 감지하는 캐리어 모드 픽오프 수단(carrier mode pick off means), X축을 중심으로 하는 자이로스코프의 회전에 대한 상기 공진기의 평면 외(out-of-plane) Cosnθ(여기서 n은 n1+1 또는 n1-1 값을 가짐) 응답 모드 운동을 감지하는 X축 응답 모드 픽오프 수단(X axis response mode pick off means), 및 Y축을 중심으로 하는 자이로스코프의 회전에 대한 상기 공진기의 평면 외 Sinnθ(여기서 n은 X축 응답 모드에 대한 값과 동일한 n1+1 또는 n1-1 값을 가짐) 응답 모드 운동을 검출하는 Y축 응답 모드 픽오프 수단을 포함하는 적어도 2개의 축에 대한 변화율을 감지하는 자이로스코프가 제공된다.
바람직하게는, 상기 자이로스코프는 자이로스코프가 강제 귀환 구성(forced feedback configuration)에서 동작되는 것을 허용하기 위해 상기 공진기의 X축 응답 모드 운동을 영점화하는 X축 응답 모드 구동 수단을 포함한다.
편리하게는, 상기 자이로스코프는 자이로스코프가 강제 귀환 구성에서 동작되는 것을 허용하기 위해 상기 공진기의 Y축 응답 모드 운동을 영점화하는 Y축 응답 모드 구동 수단을 포함한다.
바람직하게는, 2개의 축에 대한 변화율을 검출하기 위해 상기 지지 수단은 공진기를 지지 수단(support)에 탄력적으로 연결하는 복수의 유연성 레그(flexible leg)를 포함하며, 레그 수 NT는 NT=4n으로 주어지고, 레그 사이의 분리각(angular separation)은 360°/NT로 주어진다.
바람직하게는, 3개의 축에 대한 변화율을 감지하기 위해, 상기 자이로스코프는 Z축을 중심으로 하는 자이로스코프의 회전에 대한 상기 공진기의 평면 내 Sinn1θ(여기서, n1은 평면 내 캐리어 모드에 대한 값과 동일한 2 이상의 정수 값을 가짐) 응답 모드 운동을 감지하는 Z축 응답 모드 픽오프 수단을 포함한다.
편리하게는, 3개의 축에 대한 변화율을 검출하는 상기 자이로스코프는, 자이로스코프가 강제 귀환 구성에서 동작되는 것을 허용하기 위해 상기 공진기의 Z축 응답 모드 운동을 영점화하는 Z축 응답 모드 구동 수단을 포함한다.
유익하게는, 상기 지지 수단은 탄력적으로 공진기를 지지 수단에 연결하는 복수의 유연성 레그를 포함하며, 레그 수 NT는 NT=4nn1로 주어지고, 레그 사이의 분리각은 360°/NT로 주어진다.
바람직하게는, 2개의 축에 대한 변화율을 검출하기 위한 본 발명의 자이로스코프에서, 캐리어 모드는 평면 내 Cos2θ모드이고, 캐리어 모드 구동 수단이 캐리어 모드 운동(carrier mode motion)을 초기화하기 위하여 공진기의 평면 내에 고정된 기준 축(reference axis)에 대해 0°와 180°에 위치하는 2개의 구동 부재(drive element)를 포함하며, 캐리어 모드 픽오프 수단은 캐리어 모드 운동을 감지하기 위하여 고정된 기준 축에 대하여 90°와 270°에 위치하는 2개의 픽오프 부재를 포함하며,
X축 응답 모드는 Cos 3θ모드이고, X축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 0°, 120° 및 240°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하고, X축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 60°, 180° 및 300°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 포함하며,
Y축 응답 모드는 Sin3θ모드이고, Y축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 30°, 150° 및 270°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하며, Y축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 90°, 210° 및 330°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 포함하고, X축 및 Y축 구동 부재와 픽오프 부재는 응답 모드 운동을 검출하고 영점화하는 동작이 가능하다.
선택적으로는, 상기 캐리어 모드는 평면 내 Cos3θ모드이고, 캐리어 모드 구동 수단이 공진기의 평면 내에 고정된 기준 축에 대하여 0°, 120° 및 240°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 포함하고, 캐리어 모드 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 60°, 180° 및 300°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하며,
X축 응답 모드는 Cos2θ모드이고, X축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 0°와 180°에 위치하는 두 개의 픽오프 부재를 포함하며, X축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 90°와 270°에 위치하는 두 개의 구동 부재를 포함하며,
Y축 응답 모드는 Sin2θ모드이고, Y축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 45°와 225°에 위치하는 두 개의 픽오프 부재를 포함하며, Y축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 135°와 315°에 위치하는 두 개의 구동 부재를 포함한다.
편리하게는, 상기 캐리어 모드는 평면 내 Cos 3θ모드이고, 캐리어 모드 구동 수단이 공진기의 평면 내에 고정된 기준 축에 대하여 0°, 120° 및 240°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 포함하며, 캐리어 모드 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 60°, 180° 및 300°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하며,
X축 응답 모드는 Cos4θ모드이고, X축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 0°, 90°, 180° 및 270°에 위치하는 네 개의 픽오프 부재를 포함하며, X축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 45°, 135°, 225° 및 315°에 위치하는 네 개의 구동 부재를 포함하고,
상기 Y축 응답 모드는 Sin4θ모드이고, Y축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 22.5°, 112.5° 및 292.5에 위치하는 네 개의 픽오프 부재를 포함하며, Y축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 67.5°, 157.5°, 247.5° 및 337.5°에 위치하는 네 개의 구동 부재를 포함한다.
유익하게는, 3개의 축의 변화율을 감지하기 위한 자이로스코프는 공진기의 평면 내 Sin 2θ응답 모드 운동을 검출하기 위한 Z축 응답 모드 픽오프 수단을 포함하며, Z축 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대하여 45° 및 225°에 위치하는 두 개의 픽오프 부재를 포함하며, 또 고정된 기준 축에 대하여 135°및 315°에 위치하는 두 개의 구동 부재를 갖는 Z축 응답 모드 구동 수단을 포함한다.
바람직하게는, 3개의 축에 대한 변화율을 감지하기 위한 자이로스코프는 공진기의 Sin3θ응답 모드 운동을 감지하기 위한 Z축 응답 모드 픽오프 수단을 포함하고, Z축 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대하여 90°, 210° 및 330°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하며, 또 고정된 기준 축에 대하여 30°, 150°및 270°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 갖는 Z축 응답 모드 구동 수단을 포함한다.
유익하게는, 상기 공진기는 금속, 수정(quartz), 폴리실리콘 또는 벌크 실리콘으로 이루어진다.
유익하게는, 상기 구동수단과 상기 픽오프 수단은 정전기적(electrostaic), 전자기적(electromagnetic), 압전기적(piezoelectric) 또는 광학적(optical) 수단이다.
본 발명의 더 나은 이해와 실시 가능한 동일한 방법을 보여주기 위해, 예시와 첨부도면을 통하여 문헌을 작성한다.
모든 종래의 진동 구조 자이로 설계의 공통적인 특징은 공진 캐리어 모드 진동을 유지하는 것이다. 이것은 자이로가 적절한 축을 중심으로 회전하는 경우 코리올리 힘(Coriolis force) Fc 를 생성하는 선형 운동량(linear momentum)을 제공한다. 이 힘의 크기는 다음과 같이 주어진다.
여기서, Ω는 가해지는 변화율, m은 질량, 그리고 v는 선형 변화율(linear velocity)이다. 변화율, 회전 및 힘 벡터는 첨부된 도면의 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 상호간에 직교 축을 따라 놓인다.
진동 구조 자이로에 대한 가장 단순한 구현 예 중 하나는 도 1에 도시된 빔(1)이다. 캐리어 모드 진동은 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이 XZ 평면 내에서의 벤딩 운동(bending motion)이다. 빔(1)의 축(z축)을 중심으로 하는 회전은 빔(1)을 캐리어 주파수에서 YZ 평면 내의 운동으로 설정하는 코리올리 힘을 생성한다. 이 축에서의 운동의 크기(amplitude)는 가해지는 회전 변화율에 비례한다. 이러한 디바이스의 감도는 코리올리 힘이 직접적으로 공진 모드를 여기시키도록 구조를 설계함으로써 높일 수 있다. 운동의 크기는 응답 모드의 Q에 의해 증폭된다. 등방성 재료(isotropic material)로 이루어지는 단일 빔(simple beam)에 있어서, 이것은 정사각형 단면의 빔을 사용하여 구현되며, 여기서 X 및 Y 차원은 매칭된다.
또한 Y축에 대한 회전은 빔(1)에 코리올리 힘을 유도한다. 이 힘은 빔의 길이 방향(Z축)으로 작용한다. 이 방향에서 빔은 매우 강성이며, 따라서 이 힘의 영향을 받지 않는다. 그러나 단일 축을 따르는 단순 선형 진동(simple linear vibration)은 2개의 축을 중심으로 하는 회전에 응답할 수 있다.
이러한 응답에 기초하는 실제적인 자이로스코프의 구현은 이러한 코리올리 힘 성분을 적절한 축을 따라 응답 모드에 직접 결합시킬 수 있는 공진기 설계를 요구한다.
3개의 축에 대한 변화율을 감지할 수 있는 자이로스코프를 생산하기 위해, 캐리어 모드 운동은 두 직교 축에 대한 변화율 성분을 포함go야 한다. 또한 상기 구조는 공진 주파수가 캐리어 주파수에 매칭될 수 있는 공진 주파수를 갖는 응답 모드와 결합하는 각 축에 대한 회전의 결과로서 코리올리 힘이 유도되도록 설계되어야 한다. Cosn1θ(여기서 θ는 고정된 기준(fixed datum)에 관련 있는 링 경계선 주위의 각위치(angular location)이고, n1은 2 이상의 고정된 정수 값을 가짐) 평면 내 캐리어 모드를 이용한 평면 링 구조가 특히 이 응용에 적합하다. n1=1 모드는 링 공진기의 강체 병진 운동(rigid body translation)으로서 단지 단일 축에 대한 변화율 성분만을 가지고 있으므로 캐리어로 적합하지 않다.
완전한 링 공진기 구조를 위해, Cosn1θ평면 내 진동 모드가 (90/n1)°의 상호각(mutual angle)에서 축퇴 쌍(degenerate pairs)으로 존재한다. 모드 다이어그램(modal diagrams)에 대한 θ= 0°인 기준 축 R은 Y축의 양의 방향을 따른다. 이 고정된 기준을 사용함으로써 모드 쌍은 Cosn1θ 및 Sinn1θ방사상 변위를 나타내는 형태를 갖는다. n1=2인 경우의 모드 형태는 도 2a 및 도 2b에 나타나 있다. 단일 진동 사이클 동안에, 여기되지 않은 링 위치로부터의 최대 변위의 두 극단은 상기 쌍의 각 모드에 대해 나타난다. 축은 반경 1.0(임의의 단위임)인 링에 대한 여기되지 않은 링 위치로부터의 변위를 가리킨다. 모드는 45°의 상호각에서 존재한다. n1=3인 경우 모드 형태는 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같다. 이들은 30°의 상호각에서 존재한다. n1=4 모드인 경우에 상응하는 형태는 도 4a 및 도 4b에 나타나 있으며, 22.5°의 상호각에서 존재한다.
단일 축에 대해 변화율을 감지할 수 있는 링 구조를 사용한 진동 구조 자이로 설계는 잘 알려져 있다. 이들은 캐리어로서 평면 내 Cosn1θ모드 쌍(전형적으로 n1=2) 중의 하나를 사용한다. 링의 평면에 수직인 축(z축)에 대한 회전은 가해지는 변화율에 비례하여 유도되는 운동의 크기를 갖는 상기 쌍의 제2 모드에 에너지를 결합한다.
이러한 캐리어 모드를 사용함으로써 링의 평면에서 축에 대한 회전은 또한 코리올리 힘을 증가시킨다. 이 힘은 z축을 따라서 작용하며, 링을 평면 외 운동으로 설정하는 것을 용이하게 한다. 이러한 힘의 분배는 각 위치 θ와 함께 변화하고, Y축에 대한 회전 Ωy는 다음에 의해 주어진다.
파라미터 과 은 재질, n1의 값 및 링과 지지 수단의 정밀 기하(precise geometry)에 의존하는 정수이다. 따라서 평면 외 코리올리 힘은 Sin(n1+1)θ및 Sin(n1-1)으로 변화하는 성분을 갖는다. 동일한 캐리어 모드에 있어서 X축을 중심으로 하는 회전은 다음에 의해 주어지는 코리올리 힘을 유도한다.
이 경우에 평면 외 코리올리 힘은 Cos(n1+1)θ및 Cos(n1-1)에 따라 변화하는 성분을 갖는다. 예시로서, 도 2에 나타난 캐리어가 Cos2θ평면 내 모드인 경우에 대해, Y축에 대한 회전은 Sinθ와 Sin3θ로 변화하는 힘 성분을 생성한다. 이들은 각각 도 5a 및 도 5b에 나타나 있다. X축에 대한 회전은 Cosθ와 Cos3θ로 변화하는 힘 성분을 생성한다. 이들은 도 6a 및 도 6b에 나타나 있다.
평면 외 모드의 z축 변위는 또한 Cosnθ각 의존도(angular dependence)를 보이며, 평면 내 모드처럼 이들은 (90/n)°의 상호각에서 축퇴 쌍으로 존재한다. n=1에 대한 모드 형태는 90 °(즉, Sinθ와 Cosθ 방사상 변위)의 상호각에서 존재하고, 도 7a 및 도 7b에 나타나 있다. 앞에서 모드 다이어그램에서와 같이 파선으로 표시한 링의 나머지 위치에 있어서 운동의 두 극단이 나타나 있다. n=2, 3 및 4 모드인 경우에 대응하는 도표가 도 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 및 10b에 나타나 있다.
도 5a 및 6a에 예시된 코리올리 힘 성분의 함수 형태는 도 7a 및 7b에 예시된 n=1 평면 외 모드의 함수 형태와 정확하게 매칭된다. 이와 유사하게 도 5b 및 6b에 예시된 코리올리 힘 성분의 형태는 도 9a 및 9b에 예시된 n=3 평면 외(평면 외) 모드의 함수 형태와 정확하게 매칭된다. 이들 모드는 유도된 코리올리 힘의 회전에 의해 직접 여기될 수 있다.
방정식 2와 3을 검토하면, 임의의 Cosn1θ 평면 내 캐리어 모드가 적당한 축을 중심으로 회전하는 경우 , , 및 평면 외 모드와 결합할 수 있음을 알 수 있다. 임의의 자이로 구성에 실제적으로 사용하기 위해서는, 생성된 운동의 크기가 자이로의 감도를 최대화할 수 있을 정도로 커야 한다. 이는 캐리어의 모드 주파수와 선택된 어느 한 쌍의 평면 외 응답 모드를 매칭함으로써 구현된다. 따라서 합성(resultant) 운동은 응답 모드 진동의 Q에 의해 증폭된다. 평면 내 모드 주파수는 링의 깊이(즉 Z축 차원) 변화에는 영향 받지 않는다. 평면 외 모드 주파수는 이러한 파라미터에 직접 반응하며, 따라서 독립적으로 조정될 수 있다. 링 공진기 및 지지 구조의 크기를 적절하게 제어함으로써, Cosn1θ평면 내 캐리어 주파수를 및 또는 및 평면 외 모드 중에서 하나와 매칭할 수 있다. 따라서 캐리어 및 응답 모드의 다양한 조합을 통해 다중 축 자이로(multi-axis gyro)를 설계할 수 있다.
Cos2θ 캐리어 모드는 Sinθ, Cosθ, Sin3θ, 및 Cos3θ평면 외 응답 모드로 결합될 수 있다. 이들은 도 7a, 7b, 9a 및 9b에 각각 예시되어 있다. 본 발명에 따른 Sin3θ 및 Cos3θ응답 모드와 함께 Cos2θ캐리어를 사용하여 3개의 축 미분 센서를 구현할 수 있다.
바람직하게 진동 구조 자이로의 공진기는 링 또는 후프 모양의 공진기 구조(2)의 대체적인 평면으로서, 여기서 그 내주 및 외주는 Y축 방향의 고정 기준 축 R과 직교하는 동일 축 A를 따라 연장되어 있다. 링 구조는 복수의 유연성 지지 레그(3)를 포함하는 지지 수단에 의해 지지된다. Cos2θ캐리어 모드로 구동하는 동안, 링 및 지지 레그 모두가 동작한다. 그러나 링(2)은 지지 레그(3)에 비해 매우 강성이며, 캐리어 주파수는 주로 링 크기에 따라 설정된다. 이는 공진기를 장착기구(mounting)와 효과적으로 분리하여, 주변 장치들에 의해 민감해지는 것을 감소시킬 수 있다.
Sinθ 및 Cosθ 평면 외 모드(도 7a 및 도 7b)는 지지 레그(3)의 상당한 휨 및 응력과, 링(2)의 무의미한 비틀림을 연관시킨다. 레그의 이러한 유연성(compliance) 때문에, 이 Cosθ모드는 Cos2θ캐리어에 비해 상당히 낮은 주파수에서 자연스럽게 발생한다. Sin3θ 및 Cos3θ응답 모드(도 9a 및 9b)는 링을 상당히 왜곡하고 압력을 가한다. 따라서 그 자연 모드 주파수(natural mode frequency)는 Cosθ 모드의 주파수에 비해 상당히 높다. 이에 따라 Cos2θ캐리어와 Sin3θ, Cos3θ 응답 모드 주파수는 레그를 약간 조정하여, 링의 강성비(stiffness ration)에 매칭되게 할 수 있다. 이는 자이로스코프의 주변 능력(environmental capability)을 유지하는데 도움이 된다.
평면 외 Cosθ응답 모드를 사용하는 경우, 링(2)이 입력 회전 축에 대하여 흔들림에 따라 레그(3)는 항상 영이 아닌(non-zero) 토크를 지지 구조에 전하게 된다. 이와 대조적으로 평면 외 Sin3θ 및 Cos3θ 응답 모드는 적당한 수의 레그를 사용하는 경우 어떠한 정미 반력(net reaction force)도 지지 구조에 전달하지 않는다.
본 발명의 실제적인 자이로스코프는 높은 차수(high order)의 평면 내 캐리어 모드를 사용하여 구성될 수 있다. Cos3θ 평면 내 모드(도 3b)는 Cos2θ 및 Sin2θ, 또는 Cos4θ 및 Sin4θ 평면 외 응답 모드 중에서 하나와 결합하는 캐리어로 사용될 수 있다. 이들 응답 모드는 도 8a, 8b, 10a, 10b에 각각 예시되어 있다. Cos4θ 캐리어(도 4a)는 Sin3θ, Cos3θ, Sin5θ 및 Cos5θ 응답 모드에 결합된다. 높은 차수의 해당 조합 또한 가능하다. 그러나 실제적으로 높은 차수의 모드 조합은 구현하기가 상당히 까다롭다. 모드 형태는 점진적으로 더 복잡해지며, 진동을 여기하고 이를 감지할 수 있는 보다 많은 수의 별도의 구동 및 픽오프 부재(drive and pick off elements)를 요구한다. 또한 지지 레그(3)는 모드 주파수를 교란시키는 점 탄성 질량(point spring mass)의 기능을 한다. 이들 레그의 수와 위치는 모드 대칭성과 매칭되어, 축퇴 모드(degenerate mode) 주파수의 유도 분할을 방지한다. 이 차수가 증가함에 따라 필요한 레그의 수도 급속히 증가하기 때문에, 이러한 설계를 작은 크기의 자이로스코프에 적용하는 것은 실용적이지 못하다.
본 발명에 따른 3개의 축 자이로스코프는 Sin2θ및 Cos2θ 평면 내 모드 및 Sin3θ 및 Cos3θ 평면 외 모드의 조합을 사용하여 구성될 수 있다. 이러한 자이로스코프는 매칭될 4개의 모드의 주파수(하나의 캐리어 모드 더하기 3개의 반응 모드)를 요구한다. 그러나 일정한 두께의 완전한 대칭구조의 링(2)에 있어서, Sin2θ 및 Cos2θ 모드 쌍은 동일한 주파수를 가진다. 이와 유사하게 Sin3θ 및 Cos3θ 모드 쌍을 매칭할 수 있다. 따라서 높은 정도의 대칭성에 기초하여, 공진기 크기의 설계는 실제적으로 단지 2개의 주파수(즉 2개의 축퇴 모드 쌍의 주파수)를 매칭하는 과제로 줄어든다. 단일 축 동작(single axis operation)을 위해 설계된 링 공진기에서 일반적으로 사용되는 크기에 있어서, Cos3θ 평면 외 및 Cos2θ 캐리어 모드 주파수는 비교적 근접하게 주파수 정합되어 자연스럽게 발생한다. 링의 깊이(Z축 크기)를 조정하는 것은 평면 내 주파수를 변경하지 않는다. 그러나 평면 외 주파수는 개별적으로 영향을 미친다. 따라서 단일 링 크기를 적당하게 조정함으로써 Sin2θ, Cos2θ, Sin3θ, Cos3θ 모드 주파수를 매칭할 수 있다.
모드 동역학(mode dynamics)의 관점에서, 지지 레그(3)는 모드 주파수를 차동적으로 교란시키는 부착 지점에서 동작하는 점 탄성 질량으로 나타난다. 주파수 분할을 방지하고 이러한 모드의 위치적 불확정성을 유지하기 위해, 레그의 수와 위치는 모드 대칭성과 매칭되어야 한다. 이는 임의의 Sinn1θ 및 Cosn1θ 모드 쌍에 대해 4n1(여기서 n1은 2 이상임) 등각 간격의 레그의 사용을 필요로 한다. 따라서 Sin2θ 및 Cos2θ평면 모드는 8개의 등간격의 레그를 필요로 한다. Sin3θ 및 Cos3θ 평면 외 모드는 이러한 불확정성을 유지하기 위해 12개의 레그를 필요로 한다. 모드 쌍 모두에 대한 이러한 요구를 동시에 충족시키기 위해, 링(2)의 둘레로15°의 등간격으로 배치되는 24개의 레그가 필요하다. 이러한 수는 평면 내 레그 수 및 평면 외 레그 수의 최소 공배수이며, 다음 식으로부터 임의의 3개의 축 자이로 모드 조합을 파생시킬 수 있다.
레그의 수 NT = nxn1x4 .... (4)
이들 레그 사이의 각도는 [360/NT]°로 주어진다.
평면 링 공진기 구조에 있어서, 지지 레그(3)는 모드 동작(modal behaviour)이 링 특성에 의해 좌우되는 방식으로 설계된다. 이는 링 자체에 비해 방사상 그리고 접선상(tangentially) 유연한 레그를 요구한다. 이들 요구를 충족시키는 다수의 설계 변경이 가능하다. 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 24개의 지지 레그 구조에 대한 2개의 가능성을 보여준다. 이들 설계는 다수의 지지 레그(3)를 사용하는 설계와 일치한다.
본 발명의 진동 구조의 자이로스코프는 통상의 생산 및 가공 기술을 사용하여 구성될 수 있다. 이는 또한 마이크로 머시닝 기술을 사용하는 생산에 적합하다. 동작과 구동 및 픽오프의 오리엔테이션(orientation) 원리는 생산 경로에 상관없이 동일하다. 공진기는 적합한 기계적 특성을 가지는 임의의 재료로 구성될 수 있는데, 여기에는 금속, 수정, 폴리실리콘, 또는 벌크 실리콘 등이 있다. 링(2)은 다양한 구동 수단을 사용하여 진동될 수 있다. 이러한 동작의 크기는 정전기적, 전자기적, 피에조 또는 광학적 픽오프 수단을 사용하여 유사하게 검출될 수 있다.
바람직한 3개의 축 자이로스코프 실시예는 정전기적 구동 및 픽오프 수단을 사용한다. 본 실시예의 구동 및 픽오프 부재의 방위가 도 12에 예시되어 있다. 링(2)의 위치는 점선에 의해 표시된다. 평면 내 Cos2θ캐리어 모드는 그 실제 중심이 고정된 기준 축 R에 대하여 링(2)의 외주연의 0° 및 180°의 위치에 그 유효 중심이 있는 구동 부재(4)를 사용하여 진동된다. 부재 각각에 있어서, 링(2)의 평면과 직교하고 링의 외주와 대향하는 표면이 하나의 커패시터 판을 형성하며, 이에 대향하는 링 외주의 일부가 다른 하나의 커패시터 판을 형성한다. 링(2)은 구동 부재(4)에 대하여 고정된 전위(fixed potential)로 유지된다. 캐리어 모드 주파수에서 구동 부재 판에 인가된 진동 전압은 링(2)을 진동시키는 정전기력을 생성한다. 이와 유사하게 캐리어 모드에 대해 고정된 기준 축 R에 대하여 90° 및 270°에 위치하는 픽오프 부재(5)는 이에 대향하는 힘의 일부와 커패시터를 형성하고, 커패시터 간극의 변동에 따른 링(2)의 운동을 검출하는데 사용된다. 축 R에 대하여 45° 및 225°에 위치하는 픽오프 부재(6)는 자이로스코프가 Z축을 중심으로 회전하는 경우, 평면 내 Sin2θ응답 모드의 크기를 검출한다. 축 R에 대하여 135° 및 315°에 위치하는 Z축 구동 부재(7)는 자이로스코프가 강제 귀환 구성에서 동작 가능하도록 모드 운동을 영점화(null)하는데 사용된다. 이러한 모드에서 동작하는 동안, 영점 구동(nulling drive)은 인가된 변화율에 비례한다. 이러한 동작 모드는 개방 루프 모드와 비교하여 개선된 성능을 제공한다.
X축 변화율 감도를 제공하는 Cos3θ평면 외 응답 모드는 링 외주 주위에서 축 R을 기준으로 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300° 위치에서 배(anti-node)를 가진다. Sin3θ Y축 응답 모드는 축 R에 대하여 30°, 90°, 150°, 210°, 270°, 330° 위치에서 배를 가진다. 구동 및 픽오프 부재는 이들 지점과 인접한 임의의 적당한 조합 위치에 위치할 수 있다. 상기 판들과 이들에 평행하게 대향하는 링의 저면의 일부 사이에 커패시터를 형성하기 위해서는 테두리(rim)의 바로 아래에 12개의 판형의 부재를 위치시키는 것이 편리하다. 판은 링 테두리의 내부 에지 및 외부 에지를 넘어 연장되는 것이 편리하다. 따라서 캐리어 모드의 평면 내 운동은 유효 판 영역을 변경하지 않으며, 이들 판형의 부재에 의해 우연히 검출되지 않는다. 0°, 120° 및 240°에 위치하는 부재(8)는 X축 픽오프 부재로 사용된다. 이들 부재의 신호는 위상(in phase)의 형태이며, 모드 운동을 검출하는 경우에 개선된 감도를 제공하기 위해 함께 더해지는 것이 편리하다. 축 R에 대하여 60°, 180°, 300°에 위치하는 판형의 부재(9)는 구동 부재로 사용되는데, 여기서 이들 모든 부재에는 강제 귀환 동작이 용이하도록 운동을 영점화하는 동일 구동 전압이 인가된다. 이와 유사하게 축 R에 대하여 30°, 150°, 270°에 위치하는 판형의 부재(10)는 이러한 모드에서 구동 부재를 형성하는 축 R에 대하여 90°, 210°, 330°에 위치하는 판형의 부재(11)를 가지는 Y축 픽오프 부재이다.
도 13은 장치 구조를 추가로 상세하게 예시하기 위해 Y축을 따라 공진기 링(2)의 중심을 통과하는 단면도를 예시하는 도면이다. x, y 축 구동 및 픽오프 부재는 전기적 절연성을 가지는 기판 층(12)의 표면 상에 놓이는 전도 사이트(conductive site)이다. 이들 부재 사이트는 트랙(track)을 통해 패드(도시하지 않음)와 결합되어, 제어 회로와 전기적으로 연결될 수 있다. 링(2)은 지지 레그(3)를 통해 중심 지지 베어링대(central support pedestal; 13)에 부착된다. 이러한 베어링대는 링(2)의 아래로 연장되며, 링 및 지지 레그가 기판 층 위로 자유롭게 연장되도록 하는 방식으로 기판 층(12)에 단단하게 부착된다. 평면 내 모드 구동 및 픽오프 부재는 트랙에 의해 기판(12)에 단단하게 부착되며, 제어 회로와 접속할 수 있도록 하기 위해 제공되는 패드와 결합한다.
이러한 구조는 변경될 수 있다. 평면 외 구동 및 픽오프 부재의 커패시터 판 배열을 복제하고, 공진기 링(2) 위로 제2 절연 기판 층을 단단하게 고정시킴으로써, x 및 y 축에 대한 자이로스코프의 감도를 개선시킬 수 있다. 그러나 이는 제조 공정을 복잡하게 하지만, 자이로스코프의 필수적인 설계 특징 또는 기능을 변경하지 않는다.
본 발명에 따라 동일한 Cos2θ 평면 내 캐리어 모드 및 Sin3θ 및 Cos3θ 평면 외 응답 모드를 사용하여 2개의 축 자이로스코프를 제조할 수 있다. 이 실시예에서는 평면 내 Sin2θ 및 Cos2θ 모드 주파수를 고의적으로 분리하는 방법으로 공진기를 설계한다. 이러한 주파수 분리는 캐리어 모드 구동 및 픽오프 수단에 정렬될 수 있는 기존의 각위치로 캐리어 모드 위치를 고정하는 것이 바람직하다. 캐리어 모드 주파수는 평면 외 응답 모드의 주파수에 매칭되어야 한다. 12개의 지지 레그(3)를 사용하는 경우, Cos3θ 모드의 대칭성이 유지된다. 그러나 이는 평면 내 Sin2θ 및 Cos2θ 모드를 분리시키며 따라서 모드 위치를 원하는 위치에 고정시킨다. 일반적으로 2개의 축 자이로스코프 동작에 있어서, 원하는 개수의 지지 레그는 다음의 식에 의해 주어진다.
레그의 수 NT = nx4 ... (5)
간격의 각도는 [360/NT]°이다.
이는 단지 X축 및 Y축에 대한 변화율 감도만을 제공한다. 따라서 평면 내 응답 모드 구동 및 픽오프 수단이 필요하지 않다. 도 14는 이러한 실시예에 대한 자이로스코프의 레이아웃을 개략적으로 예시한다. 이는 Z축 평면 내 응답 모드 구동 부재(7) 및 픽오프 부재(6)가 없으며 지지 레그의 수가 다른 것을 제외하고는 기본적으로 도 12 및 도 13의 3개의 축 실시예와 동일하며, 따라서 동일한 도면 번호를 사용한다. 이에 대해서는 더 이상 상세하게 설명하지 않는다.
2개의 축 또는 3개의 축 자이로스코프는 Sin2θ 및 Cos2θ 평면 외 응답 모드와 결합하는 Sin3θ 및 Cos3θ 평면 내 모드를 사용하여 제조될 수 있다. 3개의 축 실시예에 있어서, 평면 내 Sin3θ 및 Cos3θ 모드 및 평면 외 Sin2θ 및 Cos2θ 모드 쌍의 축퇴를 유지해야 한다. 이는 공진기 링(2) 상에서 24개의 지지 레그(3)를 사용하도록 지시한다. 구동 및 픽오프 부재의 개략적인 방위가 도 15에 예시되어 있다. 자이로스코프의 토폴로지(topology)는 구동 및 픽오프 부재 레이아웃을 제외하고는 전술한 실시예와 거의 동일하다. Cos3θ 평면 내 캐리어 구동 수단 부재(14)는 고정된 기준 축 R에 대하여 0°, 120°, 240°에 위치하며, 픽오프 수단 부재(15)는 축 R에 대하여 60°, 180°, 300°에 위치한다. Z축 Sin3θ평면 내 응답 모드 구동 부재(16)는 축 R에 대하여 30°, 150°, 270°에 위치하며, 픽오프 수단 부재(17)는 축 R에 대하여 90°, 210°, 330°에 위치한다. 평면 외 Cos2θ X축 응답 모드 픽오프 부재(18)는 축 R에 대하여 0° 및 180°에 위치하며, 영점화 구동 부재(19)는 축 R에 대해 90° 및 270°에 위치한다. Y축 평면 외 Sin2θ픽오프 부재(20)는 축 R에 대하여 45° 및 225°에 위치하며, 영점화 Y축 구동 부재(21)는 축 R에 대하여 135° 및 315°에 위치한다.
이러한 Cos3θ평면 내 캐리어 및 평면 외 Sin2θ 및 Cos2θ 응답 모드의 조합은 평면 내 모드의 축퇴를 제거할 것을 요구한다. 이는 8개의 지지 레그를 사용함으로써 구현될 수 있다. 그렇지 않은 경우, 이러한 실시예는 평면 내 응답 모드 구동 부재(16) 및 픽오프 부재(17)가 없다는 점에서만 3개의 축 실시예와 다르다. 구동 및 픽오프 수단의 레이아웃이 도 16에 예시되어 있다.
본 발명의 2개의 축 또는 3개의 축 자이로스코프는 Sin3θ 및 Cos3θ 평면 내 모드 및 Sin4θ 및 Cos4θ 평면 외 모드의 조합을 사용하여 제조될 수 있다. 3개의 축 실시예는 모든 적당한 모드 대칭성을 유지하기 위해 48개의 지지 레그(3)를 사용할 것을 요구한다. 이 실시예는 도 17에 개략적으로 예시되어 있다. Cos3θ 평면 내 캐리어 모드 구동 부재(22)는 고정된 기준 축 R에 대하여 0°, 120° 및 240°에 위치하며, 픽오프 부재(23)는 축 R에 대하여 60°, 180°, 300°에 위치한다. 평면 내 Z축 Sin3θ 응답 모드 구동 부재(24)는 축 R에 대하여 30°, 150° 및 270°에 위치하며, 평면 내 픽오프 부재(25)는 축 R에 대하여 90°, 210°, 300°에 위치한다.
X축 Cos4θ 평면 외 응답 모드 픽오프 부재(26)는 고정된 기준 축 R에 대하여 0°, 90°, 180° 및 270°에 위치하며, X축 Cos4θ 평면 외 응답 모드 영점화 구동 부재(27)는 축 R에 대하여 45°, 135°, 225° 및 315°에 위치한다. Y축 Sin4θ 평면 외 응답 모드 픽오프 부재(28)는 축 R에 대하여 22.5°, 112.5°, 202.5° 및 292.5°에 위치하며, Y축 Sin4θ 평면 외 응답 모드 영점화 구동 부재(29)는 축 R에 대하여 67.5°, 157.5°, 247.5° 및 337.5°에 위치한다.
본 발명에 따른 2개의 축 자이로스코프 실시예는 16개의 지지 레그(3)를 요구한다. 그렇지 않은 경우 도 18에 예시된 실시예의 레이아웃은 Z축 평면 내 응답 모드 구동 부재(24) 및 픽오프 부재(25)가 없는 것을 제외하고는 도 17의 3개의 축의 레이아웃과 동일하다. 도 17의 도면 번호와 동일한 도면 번호를 사용하며, 이에 대해서는 상세하게 설명하지 않는다.
2개의 축 및 3개의 축 변화율 센서는 높은 차수의 평면 내 모드와 평면 외 모드를 조합하여 제조될 수 있다. 이들은 필요한 모드 대칭성 및 다수의 구동 및 픽오프 부재를 유지하기 위해 점진적으로 많은 수의 지지 레그를 요구한다. 이들 실시예는 실현 가능하지만 이들 실시예의 결과로 제조가 점차 더 복잡해지며 특히 작은 크기의 자이로스코프의 경우에는 제조가 더 복잡해진다.
변화율을 감지하기 위한 본 발명의 2개의 축 자이로스코프의 경우에는, Cosn1θ 평면 내 캐리어 모드 및 Sinnθ 및 Cosnθ 평면 외 응답 모드 주파수가 정합되도록 공진기(2) 및 지지 수단의 크기가 정해지며, 본 발명의 3개의 축 자이로스코프의 경우에는 Cosn1θ 평면 내 캐리어 모드, Sinn1θ 평면 내 응답 모드 및 Sinnθ및 Cosnθ평면 외 응답 모드 주파수가 정합되도록 그 크기가 정해진다.
본 발명의 자이로스코프는 적어도 2개의 축에 대하여 변화율을 감지할 수 있고 개선된 자이로스코프를 제공할 수 있다.

Claims (15)

  1. 동일한 축을 따라 연장되는 내주 및 외주를 갖는 대체로 링 또는 후프와 같은 형태의 구조를 갖는 대체로 평면인 진동 공진기;
    상기 공진기를 Cosn1θ(여기서 n1은 2 이상의 정수 값을 가짐) 평면 내 캐리어 모드로 진동하게 하는 캐리어 모드 구동 수단;
    상기 공진기를 탄력적으로 지지하고, 관계된 상기 캐리어 모드 구동 수단에 응답하여 상기 공진기가 진동하도록 허용하는 지지 수단;
    상기 공진기의 평면 내 운동을 감지하는 캐리어 모드 픽오프 수단;
    X축을 중심으로 하는 자이로스코프의 회전에 대한 상기 공진기의 평면 외 Cosnθ(여기서 n은 n1+1 또는 n1-1 값을 가짐) 응답 모드 운동을 감지하는 X축 응답 모드 픽오프 수단; 및
    Y축을 중심으로 하는 자이로스코프의 회전에 대한 상기 공진기의 평면 외 Sinnθ(여기서 n은 X축 응답 모드에 대한 값과 동일한 n1+1 또는 n1-1 값을 가짐) 응답 모드 운동을 감지하는 Y축 응답 모드 픽오프 수단
    을 포함하는 적어도 2개의 축에 대한 변화율을 감지하는 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자이로스코프가 강제 귀환 구성에서 동작되는 것을 허용하기 위해 상기 공진기의 X축 응답 모드 운동을 영점화하는 X축 응답 모드 구동 수단을 포함하는 자이로스코프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자이로스코프가 강제 귀환 구성에서 동작되는 것을 허용하기 위해 상기 공진기의 Y축 응답 모드 운동을 영점화하는 Y축 응답 모드 구동 수단을 포함하는 자이로스코프.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 축에 대한 변화율을 감지하기 위해, 상기 지지 수단은 공진기를 지지 수단에 탄력적으로 연결하는 복수의 유연성 레그를 포함하며,
    레그 수 NT는 NT=4n으로 주어지고,
    레그 사이의 분리각은 360°/NT로 주어지는
    자이로스코프.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    3개의 축에 대한 변화율을 감지하기 위해, Z축을 중심으로 하는 자이로스코프의 회전에 대한 상기 공진기의 평면 내 Sinn1θ(여기서, n1은 평면 내 캐리어 모드에 대한 값과 동일한 2 이상의 정수 값을 가짐) 응답 모드 운동을 감지하는 Z축 응답 모드 픽오프 수단을 포함하는 자이로스코프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자이로스코프가 강제 귀환 구성에서 동작되는 것을 허용하기 위해 상기 공진기의 Z축 응답 모드 운동을 영점화하는 Z축 응답 모드 구동 수단을 포함하는 자이로스코프.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 지지 수단은 공진기를 지지 수단에 탄력적으로 연결하는 복수의 유연성 레그를 포함하며,
    레그 수 NT는 NT=4nn1으로 주어지고,
    레그 사이의 분리각은 360°/NT로 주어지는
    자이로스코프.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    제2항 또는 제3항에 추가하여 2개의 축에 대한 변화율을 감지하는 경우,
    상기 캐리어 모드는 평면 내 Cos2θ모드이며, 캐리어 모드 구동 수단이 캐리어 모드 운동(carrier mode motion)을 초기화하기 위하여, 공진기 평면 내에 고정된 기준 축에 대해 0°와 180°에 위치하는 2개의 구동 부재를 포함하고, 캐리어 모드 픽오프 수단이 캐리어 모드 작동을 감지하기 위하여 고정된 기준 축에 대해 90°와 270°에 위치하는 2개의 픽오프 부재를 포함하고,
    상기 X축 응답 모드는 Cos3θ모드이고, X축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 0°, 120° 및 240°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하고, X축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 60°, 180° 및 300°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 포함하며,
    상기 Y축 응답 모드는 Sin3θ모드이고, Y축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 30°, 150° 및 270°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하며, Y축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 90°, 210° 및 330°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 포함하며, X축 및 Y축 구동 부재와 픽오프 부재는 응답 모드 운동을 검출하고 영점화하는 동작이 가능한
    자이로스코프.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    제2항 또는 제3항에 추가하여 2개의 축에 대한 변화율을 감지하는 경우,
    상기 캐리어 모드는 평면 내 Cos3θ모드이고, 캐리어 모드 구동 수단이 공진기 평면 내에 고정된 기준 축에 대하여 0°, 120° 및 240°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 포함하며, 캐리어 모드 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 60°, 180° 및 300°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하고,
    상기 X축 응답 모드는 Cos2θ모드이고, X축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 0°와 180°에 위치하는 두 개의 픽오프 부재를 포함하며, X축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 90°와 270°에 위치하는 두 개의 구동 부재를 포함하며,
    상기 Y축 응답 모드는 Sin2θ모드이고, Y축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 45°와 225°에 위치하는 두 개의 픽오프 부재를 포함하며, Y축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 135°와 315°에 위치하는 두 개의 구동 부재를 포함하는
    자이로스코프.
  10. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    제2항 또는 제3항에 추가하여 2개의 축에 대한 변화율을 감지하는 경우,
    상기 캐리어 모드는 평면 내 Cos 3θ모드이고, 캐리어 모드 구동 수단이 공진기 평면 내에 고정된 기준 축에 대하여 0°, 120° 및 240°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 포함하며, 캐리어 모드 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 60°, 180° 및 300°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하고,
    상기 X축 응답 모드는 Cos4θ모드이고, X축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 0°, 90°, 180° 및 270°에 위치하는 네 개의 픽오프 부재를 포함하며, X축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 45°, 135°, 225° 및 315°에 위치하는 네 개의 구동 부재를 포함하며,
    상기 Y축 응답 모드가 Sin4θ모드이고, Y축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 22.5°, 112.5°, 및 292.5°에 위치하는 네 개의 픽오프 부재를 포함하며, Y축 구동 수단이 고정된 기준 축에 대하여 67.5°, 157.5°, 247.5° 및 337.5°에 위치하는 네 개의 구동 부재를 포함하는
    자이로스코프.
  11. 제8항에 있어서,
    3개의 축의 변화율을 감지하기 위해, 공진기의 평면 내 Sin 2θ응답 모드 운동을 감지하기 위한 Z축 응답 모드 픽오프 수단을 포함하고, Z축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 45° 및 225°에 위치하는 두 개의 픽오프 부재를 포함하며,
    고정된 기준 축에 대하여 135°및 315°에 위치하는 두 개의 구동 부재를 갖는 Z축 응답 모드 구동 수단을 포함하는
    자이로스코프.
  12. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    3개의 축에 대한 변화율을 감지하기 위해, 공진기의 평면 내 Sin 3θ응답 모드 운동을 감지하기 위한 Z축 응답 모드 픽오프 수단을 포함하고, Z축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대하여 90°, 210° 및 330°에 위치하는 세 개의 픽오프 부재를 포함하며,
    고정된 기준 축에 대하여 30°, 150°및 270°에 위치하는 세 개의 구동 부재를 갖는 Z축 응답 모드 구동 수단을 포함하는
    자이로스코프.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기가 금속, 수정, 폴리실리콘 또는 벌크 실리콘으로 이루어지는 자이로스코프.
  14. 제1항 내지 제3중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 수단과 픽오프 수단이 정전기적, 전자기적, 압전기적, 또는 광학적 수단인 자이로스코프.
  15. 삭제
KR10-2000-7010150A 1998-03-14 1999-03-10 자이로스코프 KR100511845B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB9805388A GB2335273B (en) 1998-03-14 1998-03-14 A two axis gyroscope
GB9805388.7 1998-03-14

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20010034602A KR20010034602A (ko) 2001-04-25
KR100511845B1 true KR100511845B1 (ko) 2005-09-02

Family

ID=10828507

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2000-7010152A KR100539061B1 (ko) 1998-03-14 1999-03-10 2축 자이로스코프
KR10-2000-7010150A KR100511845B1 (ko) 1998-03-14 1999-03-10 자이로스코프

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2000-7010152A KR100539061B1 (ko) 1998-03-14 1999-03-10 2축 자이로스코프

Country Status (16)

Country Link
US (2) US6343509B1 (ko)
EP (1) EP1062480B1 (ko)
JP (1) JP4375818B2 (ko)
KR (2) KR100539061B1 (ko)
CN (1) CN1148564C (ko)
AU (2) AU740992B2 (ko)
CA (1) CA2323163A1 (ko)
CZ (1) CZ20003337A3 (ko)
DE (1) DE69900751T2 (ko)
DK (1) DK1062480T3 (ko)
ES (1) ES2165730T3 (ko)
GB (1) GB2335273B (ko)
HU (1) HUP0101205A3 (ko)
NO (1) NO20004572D0 (ko)
PL (1) PL342901A1 (ko)
WO (1) WO1999047890A1 (ko)

Families Citing this family (54)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0001294D0 (en) 2000-01-20 2000-03-08 British Aerospace Multi-axis sensing device
EP1120630A1 (en) * 2000-01-27 2001-08-01 British Aerospace Public Limited Company Micromachined angular rate sensor
US6715352B2 (en) * 2001-06-26 2004-04-06 Microsensors, Inc. Method of designing a flexure system for tuning the modal response of a decoupled micromachined gyroscope and a gyroscoped designed according to the method
GB0121934D0 (en) * 2001-09-12 2001-10-31 Europ Technology For Business Angular rate sensors
GB0122253D0 (en) * 2001-09-14 2001-11-07 Bae Systems Plc Vibratory gyroscopic rate sensor
GB0122254D0 (en) * 2001-09-14 2001-11-07 Bae Systems Plc Vibratory gyroscopic rate sensor
GB0122252D0 (en) * 2001-09-14 2001-11-07 Bae Systems Plc Vibratory gyroscopic rate sensor
GB0122258D0 (en) * 2001-09-14 2001-11-07 Bae Systems Plc Vibratory gyroscopic rate sensor
GB0122256D0 (en) 2001-09-14 2001-11-07 Bae Systems Plc Vibratory gyroscopic rate sensor
GB0206510D0 (en) * 2002-03-20 2002-05-01 Qinetiq Ltd Micro-Electromechanical systems
US7040163B2 (en) * 2002-08-12 2006-05-09 The Boeing Company Isolated planar gyroscope with internal radial sensing and actuation
GB0227098D0 (en) * 2002-11-20 2002-12-24 Bae Systems Plc Method of calibrating bias drift with temperature for a vibrating structure gyroscope
WO2004085963A1 (en) * 2003-03-28 2004-10-07 Bae Systems Plc A rate sensing device
US20050062362A1 (en) * 2003-08-28 2005-03-24 Hongyuan Yang Oscillatory gyroscope
US6940433B2 (en) * 2003-11-14 2005-09-06 Northrop Grumman Corporation Modulation method for signal crosstalk mitigation in electrostatically driven devices
US7406867B2 (en) * 2005-06-27 2008-08-05 Milli Sensor Systems + Actuators G2-Gyroscope: MEMS gyroscope with output oscillation about the normal to the plane
US8079259B2 (en) * 2005-06-27 2011-12-20 Milli Sensor Systems & Actuators MEMS gyroscope with output oscillation about the normal to the plane
US7543496B2 (en) * 2006-03-27 2009-06-09 Georgia Tech Research Corporation Capacitive bulk acoustic wave disk gyroscopes
US7281426B1 (en) * 2006-06-15 2007-10-16 Innalabs Technologies, Inc. Stemless hemispherical resonator gyroscope
EP2092272B1 (en) * 2006-12-15 2015-01-21 Atlantic Inertial Systems Limited Improvements in or relating to a gyroscope
US7493814B2 (en) * 2006-12-22 2009-02-24 The Boeing Company Vibratory gyroscope with parasitic mode damping
US7836765B2 (en) * 2007-07-31 2010-11-23 The Boeing Company Disc resonator integral inertial measurement unit
US7801694B1 (en) 2007-09-27 2010-09-21 Watson Industries, Inc. Gyroscope with temperature compensation
US7992438B2 (en) * 2007-11-28 2011-08-09 Chung Shan Institute Of Science And Technology, Armaments Bureau, M.N.D. Multiaxial gyroscope
WO2009087858A1 (ja) 2008-01-07 2009-07-16 Murata Manufacturing Co., Ltd. 角速度センサ
EP2239541B1 (en) * 2008-01-29 2013-10-23 Sumitomo Precision Products Co., Ltd. Vibrating gyroscope using piezoelectric film
WO2009119205A1 (ja) 2008-03-25 2009-10-01 住友精密工業株式会社 圧電体膜を用いた振動ジャイロ
US8375792B2 (en) 2008-03-25 2013-02-19 Sumitomo Precision Products Co., Ltd. Vibratory gyroscope using piezoelectric film
JP5523755B2 (ja) * 2009-02-11 2014-06-18 住友精密工業株式会社 圧電体膜を用いた振動ジャイロ及びその製造方法
US8151641B2 (en) 2009-05-21 2012-04-10 Analog Devices, Inc. Mode-matching apparatus and method for micromachined inertial sensors
WO2011013429A1 (ja) * 2009-07-27 2011-02-03 住友精密工業株式会社 圧電体膜を用いた振動ジャイロ
JP2011027561A (ja) * 2009-07-27 2011-02-10 Sumitomo Precision Prod Co Ltd 圧電体膜を用いた振動ジャイロ
JP2011027560A (ja) * 2009-07-27 2011-02-10 Sumitomo Precision Prod Co Ltd 圧電体膜を用いた振動ジャイロ
JP2011027562A (ja) * 2009-07-27 2011-02-10 Sumitomo Precision Prod Co Ltd 圧電体膜を用いた振動ジャイロ
WO2011026100A1 (en) 2009-08-31 2011-03-03 Georgia Tech Research Corporation Bulk acoustic wave gyroscope with spoked structure
FR2958030B1 (fr) * 2010-03-23 2012-04-20 Sagem Defense Securite Procede et dispositif de mesure angulaire avec compensation de non linearites
US9091544B2 (en) * 2010-11-05 2015-07-28 Analog Devices, Inc. XY-axis shell-type gyroscopes with reduced cross-talk sensitivity and/or mode matching
US8631700B2 (en) 2010-11-05 2014-01-21 Analog Devices, Inc. Resonating sensor with mechanical constraints
US8616056B2 (en) * 2010-11-05 2013-12-31 Analog Devices, Inc. BAW gyroscope with bottom electrode
EP2646773B1 (en) 2010-12-01 2015-06-24 Analog Devices, Inc. Apparatus and method for anchoring electrodes in mems devices
CN105021178B (zh) * 2010-12-07 2018-11-23 佐治亚科技研究公司 模式匹配型单一质量块双轴陀螺仪
CN102706337B (zh) * 2012-05-07 2015-08-19 上海交通大学 压电圆盘微机械陀螺
US20140260611A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Analog Devices, Inc. XY-Axis Gyroscopes with Electrode Configuration for Detecting Quadrature Errors and Out-of-Plane Sense Modes
US9599471B2 (en) 2013-11-14 2017-03-21 Analog Devices, Inc. Dual use of a ring structure as gyroscope and accelerometer
US9709595B2 (en) 2013-11-14 2017-07-18 Analog Devices, Inc. Method and apparatus for detecting linear and rotational movement
CN104165624B (zh) * 2014-07-25 2017-01-11 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法
US10746548B2 (en) 2014-11-04 2020-08-18 Analog Devices, Inc. Ring gyroscope structural features
US9869552B2 (en) * 2015-03-20 2018-01-16 Analog Devices, Inc. Gyroscope that compensates for fluctuations in sensitivity
CN105486298A (zh) * 2015-11-27 2016-04-13 上海新跃仪表厂 Mems金刚石多环陀螺仪及其加工方法
EP3665437B1 (en) * 2017-08-08 2023-05-03 HRL Laboratories, LLC High quality factor mems silicon flower-of-life vibratory gyroscope
GB2567479B (en) 2017-10-13 2022-04-06 Atlantic Inertial Systems Ltd Angular rate sensors
US11656077B2 (en) 2019-01-31 2023-05-23 Analog Devices, Inc. Pseudo-extensional mode MEMS ring gyroscope
GB201911534D0 (en) * 2019-08-12 2019-09-25 Atlantic Inertial Systems Ltd Improved noise performance for vibrating structure gyroscopes
RU2750182C1 (ru) * 2020-12-09 2021-06-23 Николай Юрьевич Овчаренко Способ управления характеристиками подшипника скольжения при помощи температуры и подшипник скольжения для его реализации

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3206985A (en) * 1963-01-04 1965-09-21 Western Electric Co Apparatus for simultaneously sensing movement of a body around a plurality of mutually perpendicular axes
GB8404668D0 (en) * 1984-02-22 1984-03-28 Burdess J S Gyroscopic devices
JPH02198315A (ja) * 1989-01-27 1990-08-06 Canon Inc リング状振動ジャイロ
DE69102590T2 (de) * 1990-05-18 1994-10-06 British Aerospace Trägheitssensoren.
GB9207148D0 (en) * 1992-04-01 1992-05-13 British Aerospace Planar rate sensor
GB2266588B (en) * 1992-04-24 1995-11-15 British Aerospace Vibrating rate sensor tuning
US5616864A (en) * 1995-02-22 1997-04-01 Delco Electronics Corp. Method and apparatus for compensation of micromachined sensors
GB2318184B (en) * 1996-10-08 2000-07-05 British Aerospace A rate sensor
GB2322196B (en) * 1997-02-18 2000-10-18 British Aerospace A vibrating structure gyroscope
GB2338781B (en) * 1998-03-14 2002-04-03 British Aerospace A gyroscope

Also Published As

Publication number Publication date
PL342901A1 (en) 2001-07-16
EP1062480B1 (en) 2002-01-02
GB2335273A (en) 1999-09-15
DE69900751T2 (de) 2002-09-26
JP4375818B2 (ja) 2009-12-02
CN1292866A (zh) 2001-04-25
KR100539061B1 (ko) 2005-12-26
HUP0101205A3 (en) 2003-04-28
DK1062480T3 (da) 2002-04-22
AU2739499A (en) 1999-10-11
DE69900751D1 (de) 2002-02-28
KR20010034602A (ko) 2001-04-25
GB2335273B (en) 2002-02-27
US6401534B1 (en) 2002-06-11
CZ20003337A3 (cs) 2002-01-16
GB2335273A9 (en) 1999-11-16
EP1062480A1 (en) 2000-12-27
NO20004572L (no) 2000-09-13
ES2165730T3 (es) 2002-03-16
HUP0101205A2 (hu) 2001-08-28
CN1148564C (zh) 2004-05-05
GB9805388D0 (en) 1998-05-06
CA2323163A1 (en) 1999-09-23
JP2002509615A (ja) 2002-03-26
AU740992B2 (en) 2001-11-22
NO20004572D0 (no) 2000-09-13
US6343509B1 (en) 2002-02-05
KR20010041859A (ko) 2001-05-25
AU743518B2 (en) 2002-01-24
WO1999047890A1 (en) 1999-09-23
AU2739299A (en) 1999-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100511845B1 (ko) 자이로스코프
EP0836073B1 (en) A rate sensor
WO2000009971A1 (en) An angular rate sensor
WO2017130312A1 (ja) ジャイロスコープ
KR20040031087A (ko) 진동형 자이로스코프식 속도 센서
US6978674B2 (en) Vibratory gyroscopic rate sensor
KR20040031088A (ko) 진동형 자이로스코프식 속도 센서
JP4375819B2 (ja) ２軸ジャイロスコープ
US6990863B2 (en) Isolated resonator gyroscope with isolation trimming using a secondary element
US20040118205A1 (en) Vibratory gyroscopic rate sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120802

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130801

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee