KR100539061B1 - 2축 자이로스코프 - Google Patents

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KR100539061B1
KR100539061B1 KR10-2000-7010152A KR20007010152A KR100539061B1 KR 100539061 B1 KR100539061 B1 KR 100539061B1 KR 20007010152 A KR20007010152 A KR 20007010152A KR 100539061 B1 KR100539061 B1 KR 100539061B1
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배 시스템즈 피엘시
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Abstract

대체로 링 또는 후프 모양의 구조이며, 대체로 평면형인 진동 공진기(5)를 가진 2축 자이로스코프에 관한 것이며, 이 자이로스코프는 공진기를 Cosnθ 면외 캐리어 모드로 진동시키기 위한 캐리어 모드 드라이브 수단(7)(여기서 n은 2또는 그 이상의 정수값), 공진기(5)를 신축적으로 지지하기 위한 지지 수단(6), 공진기(5)의 면외 운동을 감지하기 위한 픽오프 수단(8), X축을 증심으로 한 자이로스코프의 회전에 대응하여 진동기의 면내 Cosn1θ 응답 모드 운동을 감지하기 위한 X축 응답 모드 픽오프 수단(9)(여기서 n1 은 n+1 또는 n-1의 값을 가진다), Y축을 증심으로 한 자이로스코프의 회전에 대응하여 공진기(5)의 면내 Sinn1θ 응답 모드 운동을 감지하기 위한 Y축 응답 모드 픽오프 수단(11)(여기서 n1 은 n+1 또는 n-1의 값을 가지며 X축 응답 모드의 경우와 같다)을 포함한다.

Description

2축 자이로스코프 {A TWO AXIS GYROSCOPE}
본 발명은 2축 자이로스코프에 관한 것이다. 진동 구조 자이로스코프는 공진 요소로 모양이 서로 다른 다양한 구조물을 사용하여 제작될 수 있으며, 상업적인 개발의 성공 여부는 원가의 최소화와 기구 성능의 최적화에 달려있다.
종래의 진동 구조 자이로 설계는 현대식 마이크로 머시닝 기술을 사용한 제작에 적합하도록 되어있으며, 재료로는 벌크 실리콘, 폴리실리콘, 또는 전기 주형 금속을 사용하여 제작할 수 있다. 낮은 원가로 다량의 소형 자이로를 생산할 수 있는 제작 방법이 가능하다.
자이로스코프 기구의 많은 응용예에서는 적어도 2축에 관한 a속도 측정 감도(rate sensitivity)를 필요로 하는 데, 종래의 진동 구조 자이로에는 단일 축변화율 측정 감도가 제공되고 있기 때문에 2개의 기구가 소요되며 이 기구들은 직교하는 축을 따라 중심이 일치되어야 한다. 공진기를 가진 진동 구조 자이로스코프가 원래부터 2축 둘레의 변화율을 동시에 감지할 수 있다면 큰 이점을 가질 것이며, 따라서 종래의 2개의 단일 축 기구가 하나의 기구로 대체됨에 따른 원가 절감은 확실하다.
그러므로 2축 둘레의 변화율을 동시에 감지할 수 있는 개선된 진동 구조 자이로스코프를 설계할 필요가 있다.
본 발명의 보다 나은 이해와 본 발명이 어떻게 실행되는지를 보여주기 위해 예시적인 방법으로 참고용 도면이 첨부된다. 여기서:
도 1a는 본 발명에 의하지 아니한 진동 빔 구조 자이로스코프의 개념도,
도 1b는 도 1의 자이로스코프에서 직교하는 3축의 도시도,
도 2a 및 2b는 Cos nθ면외 캐리어 모드를 사용한 본 발명에 의한 2축 자이로에서 진동 모드 형상의 3축 도시도(여기서 n = 1이다),
도 3a 및 3b는 n = 2의 Cos nθ면외 진동 모드를 사용한 자이로스코프에서 진동 모드의 3축 도시도,
도 4a 및 4b는 n = 3 모드의 본 발명에 의한 자이로스코프에서 모드 형상의 3축 도시도,
도 5a 내지 8b까지는 도 5a 및 5b의 n1 = 1, 도 6a 및 6b의 n1 = 2, 도 7a 및 7b의 n1 = 3, 도 8a및 8b의 n1 = 4에서 X 축 면내 진동 모드 형상에 대한 Y 축의 도시도,
도 9a 및 9b는 생성된 반경 방위의 코리올리 힘의 성분을 도시하는, X 축 둘레를 회전하는 Cos 2θ면외 캐리어 모드를 형성한 본 발명에 의한 자이로스코프의 공진기에 있어서 X 축에 대한 Y 축의 도시도,
도 10a 및 10b는 도 9a 및 9b의 그것과 유사하지만 Y 축 둘레의 회전에 의해 생성된 코리올리 힘의 성분을 도시하며,
도 11은 드라이브와 픽오프의 방위를 도시하는, 본 발명의 제1 실시예에 의한 2축 자이로스코프의 부분 도시도,
도 12는 도 11의 평면 A-A로 절단한 것으로, 도 11에서는 도시되지 않은 추가적 부품이 도시된 단면도,
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 의한 2축 자이로스코프에 있어서 드라이브 및 픽오프 요소를 도시하는 배치 개념도,
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 의한 2축 자이로스코프에 있어서 드라이브 및 픽오프 요소를 도시하는 개념도 및
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 의한 2축 자이로스코프에 있어서 드라이브및 픽오프 요소를 도시한 개념도이다.
본 발명의 일예를 들면, 공통축의 주위에 뻗어있는 내외측 주변물과 함께 대체로 링 또는 후프 모양의 구조를 가지는, 대체로 평면 형상의 진동 공진기를 포함하는 2축 자이로스코프이다. 여기에는, Cos nθ 면외 캐리어 모드로 공진기를 진동시키기 위한 캐리어 모드 드라이브 수단 (여기서 n은 2 이상의 정수이다), 공진기를 신축적으로 지지하여 캐리어 모드 드라이브 수단에 대응하여 공진기를 진동시키는 지지 수단, 공진기의 면외 운동을 감지하기 위한 캐리어 모드 픽오프 수단, X 축을 증심으로 한 자이로스코프의 회전에 대응하여 공진기의 면내 Cos n1θ 응답 모드 운동을 감지하기 위한 X 축 응답 모드 픽오프 수단(여기서 n1 은 n + 1 또는 n - 1 이다), Y 축을 증심으로 한 자이로스코프의 회전에 대응하여 공진기의 면내 Sin n1θ 응답 모드 운동을 감지하기 위한 Y 축 응답 모드 픽오프 수단(여기서 n1 은 n + 1 또는 n - 1 이며 X 축 응답 모드와 동일하다)이 포함된다.
바람직한 예로는, 자이로스코프가 강제 피드백 시스템에서 작동되도록 공진기의 X 축 응답 모드 운동의 영점화를 위한 X 축 응답 모드 구동 수단을 포함하는 것이다.
편리한 예로는, 자이로스코프가 강제 피드백 시스템에서 작동되도록 공진기의 Y 축 응답 모드 운동의 영점화를 위한 Y 축 응답 모드 구동 수단을 포함하는 것이다.
큰 이점을 주는 예로는, 이 공진기를 지지물과 유동적으로 연결시켜주는 복수의 유동적인 다리를 포함하는 것이다. 여기서 다리의 수는 N = 4n1 으로 주어지고, 다리들 간의 각도 간격은 360˚/N 이다.
바람직한 예로는, 공진기가 금속, 수정, 폴리실리콘 또는 소재형 실리콘으로 만들어지는 것이다.
편리한 예로는, 드라이브 수단 및/또는 픽오프 수단을 정전(靜電)적, 전자(電磁)적, 압전(壓電)적 또는 광학적으로 하는 것이다.
큰 이점을 주는 예로는, 캐리어 모드가 Cos2θ 면외 모드이고, X 축 응답 모드가 면내 Sinθ 모드이며, 그리고 Y 축 응답 모드가 면내 Cosθ 모드인 것이다. 동시에 캐리어 모드 드라이브 수단은 공진기의 평면 내에서 고정된 기준 축에 대해 0° 및 180°의 위치에 있는 2개의 드라이브 요소를 포함하며, 캐리어 모드 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 90°및 270°의 위치에 있는 2개의 픽오프 요소를 포함한다. 또한 X 축 픽오프 수단이 고정된 기준 축에 대해 0°의 위치에 있는 픽오프 요소를 포함하며, Y 축 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 90°의 위치에 있는 픽오프 요소를 포함한다. 동시에 X 축 드라이브 수단은 고정된 기준 축에 대해 180°의 위치에 있는 드라이브 요소를 포함하며, Y 축 드라이브 수단이 고정된 기준 축에 대해 270°의 위치에 있는 드라이브 요소를 포함한다.
바람직한 예로는, 캐리어 모드가 Cos2θ 면외 모드이고, X 축 응답 모드가 면내 Sin3θ 모드이며, 그리고 Y 축 응답 모드가 면내 Cos3θ 모드인 것이다. 동시에 캐리어 모드 드라이브 수단은 공진기의 평면 내에서 고정된 기준 축에 대해 0° 및 180°의 위치에 있는 2개의 드라이브 요소를 포함하며, 캐리어 모드 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 90°및 270°의 위치에 있는 2개의 픽오프 요소를 포함한다. 또한 X 축 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 0°, 120°및 240°의 위치에 있는 3개의 픽오프 요소를 포함하며, Y 축 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 30°, 150°및 270°의 위치에 있는 3개의 픽오프 요소를 포함한다. 동시에 X 축 드라이브 수단은 고정된 기준 축에 대해 60°, 180°및 300°의 위치에 있는 3개의 드라이브 요소를 포함하며, Y 축 드라이브 수단은 고정된 기준 축에 대해 90°, 210°및 330°의 위치에 있는 3개의 드라이브 요소를 포함한다.
편리한 예로는, 캐리어 모드가 Cos3θ 면외 모드이고, X 축 응답 모드가 면내 Sin2θ 모드이며, 그리고 Y 축 응답 모드가 면내 Cos2θ 모드인 것이다. 동시에 캐리어 모드 드라이브 수단은 공진기의 평면 내에서 고정된 기준 축에 대해 0°, 120°및 240°의 위치에 있는 3개의 드라이브 요소를 포함하며, 캐리어 모드 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 60°, 180°및 300°의 위치에 있는 3개의 픽오프 요소를 포함한다. 또한 X 축 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 0°및 180°의 위치에 있는 2개의 픽오프 요소를 포함하며, Y 축 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 45°및 225°의 위치에 있는 2개의 픽오프 요소를 포함한다. 동시에 X 축 드라이브 수단은 고정된 기준 축에 대해 90°, 270°의 위치에 있는 2개의 드라이브 요소를 포함하며, Y 축 드라이브 수단은 고정된 기준 축에 대해 135°및 315°의 위치에 있는 2개의 드라이브 요소를 포함한다.
큰 이점을 주는 예로는, 캐리어 모드가 Cos3θ 면외 모드이고, X 축 응답 모드가 면내 Sin4θ 모드이며, 그리고 Y 축 응답 모드가 면내 Cos4θ 모드인 것이다. 동시에 캐리어 모드 드라이브 수단은 공진기(共振器)의 평면 내에서 고정된 기준 축에 대해 0°, 120°및 240°의 위치에 있는 3개의 드라이브 요소를 포함하며, 캐리어 모드 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 60°, 180°및 300°의 위치에 있는 3개의 픽오프 요소를 포함한다. 또한 X 축 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 0°, 90°, 180°및 270°의 위치에 있는 4개의 픽오프 요소를 포함하며, Y 축 픽오프 수단은 고정된 기준 축에 대해 22.5°, 112.5°, 202.5°및 292.5°의 위치에 있는 4개의 픽오프 요소를 포함한다. 동시에 X 축 드라이브 수단은 고정된 기준 축에 대해 45°, 135°, 225°및 315°의 위치에 있는 4개의 드라이브 요소를 포함하며, Y 축 드라이브 수단은 고정된 기준 축에 대해 67.5°, 157.5°, 247.5°및 337.5°의 위치에 있는 4개의 드라이브 요소를 포함한다.
종래의 모든 진동 구조 자이로의 공통적인 특징은 그것이 공명 캐리어 모드 진동을 유지한다는 것이다. 이것은 자이로가 특정의 축 둘레를 회전할 때 코리올리의 힘(Coriolis force) Fc 를 만드는 선형 모멘트를 제공한다. 이 힘의 크기는 다음과 같이 주어진다:
Fc = 2Ωmv . . . (1)
여기서 Ω은 특정의 변화율, m은 질량, 그리고 v는 선속도이다. 변화율, 회전 및 힘의 백터는 첨부한 도 1a에 도시한 바와 같이 서로 직교하는 축을 따라 놓여진다
진동 구조 자이로의 가장 간단한 실행의 하나가 도 1a에 예시된 빔 (1)이다. 캐리어 모드 진동은 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이 xz 평면상의 굽힘 운동이다. 빔 (1)의 축(z축)을 증심으로 한 회전이 주어지면 코리올리의 힘이 발생하며 이 힘에 의해 빔 (1)은 캐리어 주파수로 yz 평면상의 운동을 하게되며 이 축에서의 운동의 크기는 주어진 회전변화율에 비례한다. 코리올리의 힘이 직접 공명 모드를 일으키도록 그 구조를 설계하면 이러한 기구의 감도를 향상시킬 수 있다. 그리고 운동의 크기는 응답 모드의 Q 에 의해서 증폭된다. 등방성 재료로 만든 단순빔에서는 X 및 Y 치수가 일치하는 사각형 단면을 가진 빔을 사용하여 이를 실행할 수 있다.
또한 Y 축을 증심으로 한 회전은 빔 (1)에 코리올리의 힘을 유발할 것이다. 이 힘은 빔(z축)의 길이 방위를 따라서 작용할 것이다. 빔은 이 방위로 극히 단단하기 때문에 이 힘에는 둔감하다. 그러나 단일축을 따라 이루어지는 이 단순한 선형 진동은 2개의 축을 증심으로 한 회전에 응답할 수가 있다. 이 응답에 근거한 실제 자이로스코프의 실행을 위해서는 이 코리올리의 힘 성분을 특정의 축을 따라 이루어지는 응답 모드와 직접 연결할 수 있게 하는 공진기의 설계가 요구된다.
Cos nθ면외 캐리어 모드를 사용하는 평면형의 링 구조는 원래부터 2축변화율 감도가 가능하다. 캐리어 모드 운동은 단일 방위(z축)을 따라서 이루어지기 때문에 이 구조물이 면내 축의 어느 하나를 중심으로 회전하면 코리올리의 힘이 발생한다. 자이로스코프로서의 실제적인 사용을 위해서는 코리올리의 힘에 의해 유발된 이 운동의 크기가 적당한변화율 측정 감도를 제공하기에 충분해야 한다. 응답 모드의 Q 에 의해 유도된 운동을 증폭하여 이 힘이 면내 공진 모드에 직접 연결될 수 있다면 이 감도가 성취될 수 있다.
완전한 링 공진기 구조물에서는 Cos nθ 면외 진동 모드가 (90/n)°의 상호 각도에서 축퇴 쌍(degenerate pair)으로서 존재한다. 이 공진기의 평면에서 고정된 기준 축 R 을 사용하면 이 모드 쌍은 Cos nθ및 Sin nθ변위를 보여주는 형상을 가지게 된다. 모드 다이어그램의 θ= 0°기준 축 R 은 ＋ 방위의 Y 축이다. n = 1의 모드 형상이 도 2a 및 2b에 도시되어 있다. 단진동 주기 동안 비여진 링 위치로부터의 최대 변위의 두 극한치가 이 쌍의 각 모드에서 도시되어 있다. 이 축들은 반경이 1.0(임의 단위)인 링에 대해 여진이 안된 링 위치(점선)로부터의 변위를 보여준다. 이 모드들은 90°의 상호 각도를 유지한다. n = 2의 모드 형상은 도 3a 및 3b에 비슷하게 도시되며, 이들은 45°의 상호 각도를 유지한다. 이에 대응하는 n = 3 모드의 형상은 도 4a 및 4b에 도시되어 있으며 여기서는 30°의 상호 각도를 유지한다.
Cos nθ면외 캐리어 모드를 사용하면, 링의 평면에서 축을 증심으로 한 회전이 코리올리의 힘을 유발할 것이다. Y 축을 증심으로 한 회전은 x 축을 따라 작용하는 코리올리의 힘을 유발하게 된다.
이들 힘의 분포는 각도 위치 θ에 따라 변하며 반경 방위 및 접선 방위의 분력으로 분해될 수 있다. Y 축을 증심으로 한 회전이 Ωy 일 때, 이들 분력은 다음과 같이 주어진다.
Fcr(θ) = F(n+1)rΩy Sin(n+1)θ + F(n-1)rΩy Sin(n-1)θ . . . (2)
Fct(θ) = F(n+1)tΩy Cos(n+1)θ - F(n-1)tΩy Cos(n-1)θ . . . (3)
여기서 Fcr(θ)는 면내 변경 방위의 코리올리의 힘의 분포이며, Fcr(θ)는 면내 접선 방위의 코리올리의 힘의 분포이다. 이 매개 변수 F(n+1)r, 과 F(n-1)r, 및 F(n+1)t 와 F(n+1)t 는 링의 정밀한 기하학적 형상 및 지지 수단, 재료 및 n 값에 따라 정해지는 상수이다.
동일한 캐리어 모드에 있어서, X 축을 증심으로 한 회전은 Y 축을 따라 작용하는 코리올리의 힘을 유발하며, 이 힘들은 다시 반경 방위 및 접선 방위의 분력으로 분해될 수 있다. 주어진 회전변화율 Ωx 에 대해 이 분력은 다음과 같다:
Fcr(θ) = F(n+1)rΩx Cos(n+1)θ + F(n-1)rΩx Cos(n-1)θ . . . (4)
Fct(θ) = F(n+1)tΩx Sin(n+1)θ - F(n-1)tΩx Sin(n-1)θ . . . (5)
이들 분력은 링 공진기의 면내 진동 모드를 생성하기 위해 직접 사용될 수 있다. n1 = 1, 2, 3 및 4의 면내 진동 형상이 도 5a 내지 8b에 도시되어 있다. 이 모드들은 (90/n1)°의 상호 각도에서 축퇴 쌍으로 존재한다. 이 도면들은 공칭 반경 1.0 (임의 단위)의 링에서 정지 위치로부터의 최대 변위를 예시한다. 이들 모드들이 형성되는 방법은 개별 캐리어 모드에 대해 예를 들어 예시될 수 있다.
Cos 2θ면외 캐리어 모드를 생성하는 링 공진기에서, X 축을 중심으로 회전하면 반경 방위의 코리올리의 힘 성분이 Cosθ 및 Cos 3θ함수 형태로 만들어지며, 이것들이 도 9a 및 9b에 도시되어 있다. 점선 2는 공칭 반경이 1.0(임의 단위)인 링의 정지 위치를 가리키며, 여기서 x 및 y 축은 링의 중심을 지나며, 이 힘은 중심 (0, 0)을 지나 반경 방위로 작용하고, 그 크기가 실선 3에 도시되어 있다. 좀 더 도식적으로 예시하고 있는 화살표 4는 링 둘레의 개별적인 지점에 작용하는 힘의 백터를 보여준다. 접선 방위의 분력에 대해서도 비슷한 그림이 만들어질 수 있다. 이들 분력은 도 5a 및 7a에 도시된 면내 진동 모드의 분력들과 일치하는 함수 형태를 취한다. Y 축을 증심으로 한 회전은 Sinθ및 Sin 3θ함수 형태를 취하는 코리올리의 힘 분력을 유발하며 이것들이 도 10a 및 10b에 도시되어 있다. 이들 함수 형태는 도 5b 및 7b에 도시된 모드와 일치한다.
실제의 자이로를 설계하기 위해서는, 응답 모드 운동의 크기가 최대화되어야 한다. 링 치수의 설계는 캐리어 모드의 주파수와 응답 모드의 주파수가 일치되도록 해야한다. 이렇게하여 합성 운동은 강화된 감도를 제공하는 응답 모드 진동의 Q 에 의해 증폭된다. 면외 모드 주파수는 링의 깊이(X 축 치수)의 변화에 따라 크게 영향을 받는다. 면내 모드 주파수는 이 변화에 민감하지 못하며, 따라서 면외 캐리어 모드의 주파수 및 면내 응답 모드의 주파수를 차별적으로 변화시켜 균형을 잡을 수가 있다. 링의 치수를 적절히 하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 실제의 2축 자이로스코프는 Sinθ및 Cosθ면내 응답 모드와 조합된 Cos 2θ면외 캐리어 모드를 가진다. 또한 본 발명의 더 발전된 실시예를 실행하기 위해 Sin 3θ및 Cos 3θ 면내 응답 모드와 조합된 동일한 캐리어 모드를 사용하면 링의 치수를 선택할 수 있다.
본 발명에 의한 2축 자이로스코프의 추가적 설계를 위해서는 식 2 내지 5에 따라 새로운 캐리어 모드 와 응답 모드의 조합이 사용된다. Cos 3θ 면외 캐리어 모드가 Sin 2θ및 Cos 2θ면내 응답 모드와 조합되어 사용될 수 있다. 마찬가지로 이 캐리어 모드는 Sin 4θ및 Cos 4θ응답 모드와 조합하여 사용할 수도 있다. 추가적으로 더 고급의 모드 조합도 가능하지만 점차적으로 실행의 실용성이 떨어진다. 그것들의 유용성은 드라이브(drive)와 픽오프(pick-off) 요소의 복합적 배치 구조가 요구되는 모드 형상의 복잡성에 의해 제한을 받는다.
본 발명에 의한 2축 자이로스코프는 Sinθ및 Cosθ면내 응답 모드와 조합된 Cos 2θ면외 캐리어 모드를 사용하여 구성할 수도 있다. 이 자이로스코프에서는 3 모드의 주파수가 일치되어야 한다(1 캐리어 모드 플러스 2 응답 모드). 두께가 균일한 완전 대칭 링 (5)에서는, Sinθ및 Cosθ모드 쌍은 동일한 주파수를 가진다. 또한 면외 모드는 축퇴 쌍으로 존재하며 따라서 캐리어 각도 45°의 캐리어 모드 주파수에서 Sin 2θ모드가 될 것이다. 실제의 실행에서는 고의적으로 모드들 사이의 주파수 분리를 유도하는 것이 편리하다. 이것이 링 (5)의 고정된 방위에서 캐리어 모드의 위치를 설정한다. 이것은 면외 모드들 간의 어떤 바람직하지 못한 간섭을 방지해 준다는 이 점을 가지는 데, 이 간섭은 불가피하게 구조상의 약간의 결함이 존재하는 실제의 자이로스코프 설계에서 캐리어 모드 운동을 교란할 수도 있다.
본 발명의 자이로스코프에서, 캐리어 모드는 Cos 2θ, Cos 3θ, Cos 4θ등과 같이 n 이 2 또는 그 이상의 정수값을 가지는 Cos nθ수준이어야 한다. 응답 모드는 Sinθ, Sin 2θ, Sin 3θ등과 같이 n1 이 n + 1 또는 n - 1 의 값을 가지는 Sin n1θ또는 Cos n1θ가 되어야 한다.
링 (5)의 다리의 수와 방위(도시 안됨)가 정확히 선정 된다면, 면내 응답 모드의 축퇴(degeneracy)를 유지하면서 면외 주파수를 분할할 수가 있다. 다리는 링 (5)를 중앙 지지대 5와 연결하여 모드 동역학을 국부적으로 교란시키는 점 스프링 질량으로서 작용한다. 주파수 분할을 방지하기 위해서는 다리의 수와 각도 위치가 모드 대칭성고 일치되어야 한다. 어떤 Cosnθ축퇴 모드 쌍에서, 다리의 수는 다음식으로 주어진다:
다리의 수 N = 4n1 . . . (6)
각도 간격은 360°/ N 으로 주어진다.
따라서, Cosθ모드 쌍에서 90°로 이격된 4개의 다리를 사용하면 이 조건이 충족될 수 있다. 지지 다리의 이러한 구조는 Cos 2θ면외 모드를 분할하며 요구에 따라 링 (5)에서의 그들의 방위를 고정한다.
진동 공진기 (5)는 대체적으로 링 또는 후프와 비슷한 형상을 가지는 평면이며, 그 평면에는 기준 축 주위로 뻗어있는 내외측 주변물들이 있다.
본 발명에 따른 진동 구조 자이로스코프는 표준 제작 및 머시닝 기술을 사용하여 구성될 수 있다. 또한 그것들은 마이크로 머시닝 기술을 사용하는 제작에도 적합하다. 작동 및 드라이브와 픽오프 방위의 원리는 제작 방법에 상관없이 동일하다. 공진기 링 (5)는 금속, 수정, 폴리실리콘 또는 소재형 실리콘을 포함하여 적합한 기계적 성질을 보유한 어떤 재료로도 만들 수 있다. 링 (5)의 모드들은 다양한 드라이브 변환기를 사용하여 진동을 위한 구동이 가능하며 이들 변환기에는 정전(靜電)적 수단, 전자(電磁)적 수단, 압전(壓電)적 수단 및 광학적 수단이 포함된다. 운동의 크기도 마찬가지의 정전적 수단, 전자적 수단, 압전적 수단 및 광학적 수단을 포함하는 다양한 변환기를 사용하여 감지될 수 있다. 드라이브 및 픽오프 변환기는 면외 및 면내 운동을 개시하고 감지할 수 있도록 위치된다. 더 바람직한 실시예에서는 정전식 드라이브 및 픽오프 수단을 사용하며, 이 실시예에서의 드라이브 요소와 픽오프 요소의 방위가 도 11에 도시되어 있다. 공통축 A 주위에 뻗어 있는 내외측 주변물을 가지는 링 (5)의 방위는 점선으로 나타나 있다. 면외 Cos 2θ캐리어 모드는 링 림(ring rim)의 바로 밑에 있는 기준 축 R에 대해 0°및 180°에 위치한 드라이브 요소 (7)을 사용하여 진동을 위한 구동이 이루어진다. 링 (5)는 드라이브 요소 (7)과 픽오프 요소 (8)에 대해 고정된 위치에 유지된다. 개개의 커패시터는 링 (5) 아래쪽의 이들 드라이브 요소 (7)과 반대쪽의 구획 사이에 놓여진다. 진동 전압이 캐리어 주파수로 드라이브 요소 (7)에 가해지며, 이로 인해 링 (5)에 공진 진동을 주는 정전력이 발생한다. 90°및 270°에 위치하는 픽오프 요소는 갭의 변화에 따라 링 (5)의 운동을 감지하는 커패시터를 형성한다.
X 축을 증심으로 한 회전은 0°및 180°에 파복(波腹)을 가지는 Cosθ면내 응답 모드로 에너지를 연결하며, Y 축을 증심으로 한 회전은 90° 및 270°에 파복을 가지는 Sinθ 모드로 에너지를 연결한다. 드라이브 및 픽오프 요소는 적절하게 조합되어 이들 지점 가까이에 위치한다. 이것들은 링 (5)의 외측 주변물 주위에 동심원을 그리며 위치하는 플레이트들로 구성된다. 링의 평면과 수직인 이 플레이트 표면은 링 (5)와 마주보는 인접 구획과 함께 커패시터를 형성한다. 더 편리한 방법에서는, X 축 응답 모드 운동이 0°에 위치한 픽오프 9에 의해 감지된다. 180°에 위치한 드라이브 요소 (10) 은 자이로스코프가 강제 피드백 시스템에서 작동되도록 해주는 모드 운동의 영점화에 사용될 수 있다. 이러한 모드에서 작동되는 경우, 영점화 드라이브는 주어진변화율에 비례한다. 이러한 작동 모드는 개회로 모드를 능가하는 성능상의 이점을 제공하는 것으로 알려져 있다. Y 축 응답 모드 운동은 90°에 위치한 픽오프 요소에 의해 감지된다. 270°에 위치한 드라이브 요소 12는 자이로스코프를 강제 피드백 모드에서 작동되도록 한다.
도 12는 Y 축 상의 링 공진기 (5)의 중심을 지나는 도 11의 선 A - A를 따라 절단한 단면도이다. 여기에서는 도 11에서 빠진 부분을 추가적으로 보여준다. X 및 Y 축 드라이브 요소와 픽오프 요소 (9, 10, 11, 12)는 절연 기판층 (14)의 표면 상에 놓여진 도전(導電) 부분이며, 이들 부분 (13)은 트랙을 경유하여 전기적으로 제어 회로와의 연결을 가능케 하는 본드 패드(도시 안됨)에 연결된다. 링 (5)는 지지 다리(도시 안됨)를 경유하여 중앙 지지대 6에 부착 되어진다. 이 지지부 6은 링 아래쪽으로 뻗어 있으며 지지 다리는 기판층 (14)에 자유롭게 매달려 있다. 면외 모드 드라이브 요소 및 픽오프 요소 (7, 8)은 제어 회로와의 연결을 위해 주어진 본드 패드(도시 안됨) 및 트랙킹과 함께 기판 (14)에 견고하게 부착되어 있다.
도 11 및 12의 자이로스코프의 추가적 개선품도 가능하다. 예를 들면, 공진기 링 (5) 위에 견고하게 고정되어 있는 제2 절연 기판층(도시 안됨)은 면외 드라이브 요소 및 픽오프 커패시터 요소 (13)을 복사한 것이며, X 및 Y 축 상의 자이로스코프의 감도를 향상시킨다. 그러나 이것은 제작 공정을 복잡하게 할뿐이지 자이로스코프의 기본적인 특징이나 기능성이 달라지는 것은 아니다.
본 발명의 2축 자이로스코프는 Sin 3θ및 Cos 3θ면내 응답 모드와 조합된 동일한 Cos 2θ면외 캐리어 모드를 사용하여 제작될 수 있다. 이 설계에 있어서는 면외 Cos 2θ모드 주파수를 분리하는 한편 Cos 3θ면내 모드 대칭성을 유지할 필요가 있으며 이것은 30°의 각도 분리와 함께 12개의 지지 다리를 사용하면 성취된다.
드라이브 및 픽오프 요소의 적절한 배치가 도 13에 도시되어 있다. 캐리어 모드 드라이브 요소 (7)은 90°및 270°위치의 픽오프 요소 (8)과 함께 0°및 180°에 위치한다. X 축을 증심으로 한 회전은 Cos 3θ응답 모드를 생성한다. X 축 응답 모드 픽오프 요소 (9)는 60°, 180°및 300°에 위치한 드라이브 요소 (10)과 함께 0°, 120°및 240°에 위치해 있다. Y 축을 증심으로 한 회전은 Sin 3θ응답 모드를 생성하며, Y 축 모드 픽오프 요소 (11)은 90°, 210°및 330°에 위치한 드라이브 요소 12와 함께 30°, 150°및 270°에 위치한다.
본 발명의 2축 자이로스코프는 Sin 2θ및 Cos 2θ면내 응답 모드와 조합된 Cos 3θ면외 캐리어 모드를 사용하여 제작될 수 있다. 면내 응답 모드의 모드 대칭성을 유지하는 데는 각도가 45°로 이격된 8개의 다리가 필요하다. 이 실행예에서 드라이브 및 픽오프 요소의 방위가 도 14에 도시되어 있다. 캐리어 모드 드라이브 요소 (7)은 60°, 180°및 300°에 위치한 픽오프 요소 (8)과 함께 0°, 120°및 240°에 위치해 있다. X 축을 증심으로 한 회전은 Cos 2θ응답 모드를 생성한다. 이 모드의 픽오프 요소 (9)는 90°및 270°에 위치한 드라이브 10과 함께 0°및 180°에 위치한다. Y 축을 증심으로 한 회전은 Sin 2θ응답 모드를 생성한다. 이 모드의 픽오프 요소 (11)은 135°및 315°에 위치한 드라이브 요소 12와 함께 45°및 225°에 위치해 있다.
또한 본 발명의 2축 자이로스코프는 Sin 4θ및 Cos 4θ면내 응답 모드와 조합된 동일한 Cos 3θ캐리어 모드를 사용하여 제작될 수도 있다. 이 실행예에서 면내 응답 모드의 대칭성을 유지하기 위해서는 22.5°의 각도 간격이 유지된 16개의 지지 다리를 사용해야 된다. 이 실행예에서의 드라이브 및 픽오프 요소의 방위가 도 15에 도시되어 있다. 캐리어 모드 드라이브 요소 (7)은 60°, 180°및 300°에 위치한 픽오프 요소와 함께 0°, 120°및 240°에 위치한다. X 축을 증심으로 한 회전은 Cos 4θ응답 모드를 생성한다. 이 모드의 픽오프 요소 (9)는 45°, 135°, 225°및 315°에 위치한 드라이브 요소 10과 함께 0°, 90°, 180°및 270°에 위치해 있다. Y 축을 증심으로 한 회전은 Sin 4θ응답 모드를 생성할 것이다. 이 모드의 픽오프 요소 (11)은 67.5°, 157.5°, 247.5°및 337.5°에 위치한 드라이브 요소 (14)와 함께 22.5°, 112.5°, 202.5°및 292.5°에 위치한다.
본 발명의 2축변화율 자이로스코프는 더 고급의 면내 및 면외 모드 조합을 사용하여 제작될 수도 있다. 이를 위한 조건은, Cos nθ의 n이 2 또는 그 이상의 정수인 면외 모드이고, 그리고 X 및 Y 축 응답 모드값이 동일한 상태에서 Cos n1θ및 Sin n1θ의 n1 이 n + 1 또는 n - 1인 면내 X 및 Y 축 응답 모드이어야 한다. 이를 위해서는 점차적으로 필수의 모드 대칭성을 유지하기 위한 지지 다리의 수가 많아지고, 픽오프 요소의 수도 더 많아져야 한다. 결론적으로 실행이 가능하지만 이 실시예는 점점 더 제작이 복잡해지며 특히 크기가 소형일 때는 더욱 그러하다.
상기의 설명에서 드라이브 및 픽오프의 각도 위치는 공진기의 평면 내에서 기준 축에 대한 것이다. 또한 2 축의변화율 감지를 위한 본 발명의 자이로스코프에서 공진기 2 및 지지 수단들은 Cos nθ면외 캐리어 모드 및 Sin n1θ및 Cos n1θ면외 응답 모드 주파수가 일치하도록 치수가 정해진다.

Claims (11)

  1. 공통축 주위에 뻗어있는 내외측 주변물과 더불어, 대체로 링 또는 후프 모양의 구조이며, 대체로 평면형인 진동 공진기를 포함하는 2축 자이로스코프에서,
    a) Cosnθ 면외 캐리어 모드(여기서 n은 2 이상의 정수임)로 상기의 공진기를 진
    동케하기 위한 캐리어 모드 드라이브 수단;
    b) 상기 공진기를 신축적으로 지지하고 상기의 캐리어 모드에 대응하여
    상기 공진기를 진동시키기 위한지지 수단;
    c) 상기 공진기의 면외 운동을 감지하기 위한 캐리어 모드 픽오프 수
    단;
    d) X축을 증심으로 한 자이로스코프의 회전에 대응하여 이 공진기의 면
    내 Cosn1θ 응답 모드 운동(여기서 n1 은 n + 1 또는 n - 1 임)을 감지하기 위
    한 X축 응답 모드 픽오프 수단 및;
    e) Y축을 증심으로 한 자이로스코프의 회전에 대응하여 이 공진기의 면
    내 Sinn1θ응답 모드 운동(여기서 n1 은 n + 1 또는 n - 1 으로서 상기 X 축
    응답 모드와 동일함)을 감지하기 위한 Y축 응답 모드 픽오프 수단;
    을 포함하는 2축 자이로스코프.
  2. 제1항에 있어서, 이 자이로스코프가 강제 피드백 구성에서 작동되도록 공진기의 X축 응답 모드 운동을 영점화(nulling)하기 위한 X축 응답 모드 드라이브 수단을 포함하는 자이로스코프.
  3. 제1항에 있어서, 이 자이로스코프가 강제 피드백 구성에서 작동되도록 공진기의 Y축 응답 모드 운동을 영점화하기 위한 Y축 응답 모드 드라이브 수단을 포함하는 자이로스코프.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기의 공진기를 지지 수단에 신축적으로 연결하기 위한, 다수의 신축적인 다리를 가진 지지 수단을 포함하며, 여기서, 다리의 수 N은 4n1 이며, 다리들 사이의 각도 간격은 360˚/N 자이로스코프.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기의 공진기가 금속, 수정, 폴리실리콘 또는 벌크 실리콘으로 만들어지는 자이로스코프.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 캐리어 모드 드라이브 수단, 상기 캐리어 모드 픽오프 수단, 상기 X축 응답 모드 픽오프 수단, 및 상기 Y축 응답 모드 픽오프 수단 중 하나 이상의 수단이 정전(靜電)적, 전자(電磁)적, 압전(壓電)적, 또는 광학적인 자이로스코프.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 캐리어 모드가 Cos2θ 면외 모드이고, X축 응답 모드는 면내 Sinθ 모드 이며, Y축 응답 모드가 면내 Cosθ 모드이며,
    a) 상기 캐리어 모드 드라이브 수단은 공진기 평면 내의 고정된 기준축에 대해 0˚ 및 180˚에 위치한 2개의 드라이브 요소를 포함하며,
    b) 상기 캐리어 모드 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 90˚및 270˚에 위치
    한 2개의 픽오프 요소를 포함하며,
    c) 상기 X축 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 0˚에 위치한 픽오프 요소를
    포함하며,
    d) 상기 Y축 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 90˚에 위치한 픽오프 요소를
    포함하며,
    e) 상기 X축 드라이브 수단은 고정된 기준축에 대해 180˚에 위치한 드라이브 요
    소를 포함하며,
    f) 상기 Y축 드라이브 수단은 기준축에 대해 270˚에 위치한 드라이브 요소를 포
    함하는
    자이로스코프.
  8. 제6항에 있어서, 캐리어 모드가 면외 Cos2θ 모드이고, X축 응답 모드는 면내 Sin3θ 모드이며, Y축 응답 모드가 면내 Cos3θ이며,
    a) 상기 캐리어 모드 응답 수단은 공진기 평면 내의 고정된 기준축에 대해 0˚
    및 180˚에 위치한 2개의 드라이브 요소를 포함하며,
    b) 상기 캐리어 모드 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 90˚및 270˚에 위치
    한 2개의 픽오프 요소를 포함하며,
    c) 상기 X축 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 0˚, 120˚및 240˚에 위치한
    3개의 픽오프 요소를 포함하며,
    d) 상기 Y축 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 30˚, 150˚및 270˚에 위치한
    3개의 픽오프 요소를 포함하며,
    e) 상기 X축 드라이브 수단은 고정된 기준축에 대해 60˚, 180˚및 300˚에 위치
    한 3개의 드라이브 요소를 포함하며,
    f) 상기 Y축 드라이브 수단은 고정된 기준축에 대해 90˚, 210˚및 330˚에 위치
    한 3개의 드라이브 요소를 포함하는
    자이로스코프.
  9. 제6항에 있어서, 캐리어 모드가 면외 Cos3θ 모드이고, X축 응답 모드는 면내 Sin2θ 모드이며, Y축 응답 모드가 면내 Cos2θ이며,
    a) 상기 캐리어 모드 드라이브 수단은 공진기 평면 내의 고정된 기준축에 대해
    0˚, 120˚및 240˚에 위치한 3개의 드라이브 요소를 포함하며,
    b) 상기 캐리어 모드 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 60˚, 180˚및 300˚
    에 위치한 3개의 픽오프 요소를 포함하며,
    c) 상기 X축 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 0˚및 180˚에 위치한 2개의
    픽오프 요소를 포함하며,
    d) 상기 Y축 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 45˚및 225˚에 위치한 2개의
    픽오프 요소를 포함하며,
    e) 상기 X축 드라이브 수단은 고정된 기준축에 대해 90˚ 및 270˚에 위치한 2개
    의 드라이브 요소를 포함하며,
    f) 상기 Y축 드라이브 수단은 고정된 기준축에 대해 135˚ 및 315˚에 위치한 2
    개의 드라이브 요소를 포함하는
    자이로스코프.
  10. 제6항에 있어서, 캐리어 모드가 면외 Cos3θ 모드이고, X축 응답 모드는 면내 Sin4θ 모드이며, Y축 응답 모드가 면내 Cos4θ이며,
    a) 상기 캐리어 모드 드라이브 수단은 공진기 평면 내의 고정된 기준축에 대해
    0˚, 120˚ 및 240˚에 위치한 3개의 드라이브 요소를 포함하며,
    b) 상기 캐리어 모드 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 60˚, 180˚ 및 300˚
    에 위치한 3개의 픽오프 요소를 포함하며,
    c) 상기 X축 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 0˚, 90˚, 180˚및 270˚에
    위치한 4개의 픽오프 요소를 포함하며,
    d) 상기 Y축 픽오프 수단은 고정된 기준축에 대해 22.5˚, 112.5˚, 202.5˚및
    292.5 ˚에 위치한 4개의 픽오프 요소를 포함하며,
    e) 상기 X축 드라이브 수단은 고정된 기준축에 대해 45˚, 135˚, 225˚ 및 315
    ˚에 위치한 4개의 드라이브 요소를 포함하며,
    f) 상기 Y축 드라이브 수단은 고정된 기준축에 대해 67.5˚, 157.5˚, 247.5˚
    및 337.5˚에 위치한 4개의 드라이브 요소를 포함하는
    자이로스코프.
  11. 삭제
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