KR20040031088A - 진동형 자이로스코프식 속도 센서 - Google Patents

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KR20040031088A
KR20040031088A KR10-2004-7003767A KR20047003767A KR20040031088A KR 20040031088 A KR20040031088 A KR 20040031088A KR 20047003767 A KR20047003767 A KR 20047003767A KR 20040031088 A KR20040031088 A KR 20040031088A
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KR10-2004-7003767A
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펠크리스토퍼폴
엘리레베카
폭스콜린헨리죤
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배 시스템즈 피엘시
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    • 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
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Abstract

3축 속도 센서는 실질적으로 링 또는 고리 형상의 구조체를 갖는 실질적으로 평면인 진동 공진기(2), 상기 공진기(2)를 평면내 Cos2θ 진동 모드로 진동시키기 위한 구동 수단(4), 상기 구동 수단에 응답하여 상기 공진기의 운동을 감지하기 위한 캐리어 모드 픽오프(pick-off) 수단(5), z축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면내 Sin2θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단(6), 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단(7), x축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Sin3θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단(8), 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단(9), y축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Cos3θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단(10), 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단(11), 및 상기 공진기를 플렉시블하게 지지하는 지지 수단(9)을 포함하고, 상기 지지 수단은 단지 L개의 지지 빔만을 포함하되, L≠2J×3K이고, J=0,1,2이며, K=0,1이고, L<24이다.

Description

진동형 자이로스코프식 속도 센서 {VIBRATORY GYROSCOPIC RATE SENSOR}
코리올리(Coliolis) 속도 센서에 환형의 공진기를 사용하는 것이 공지되어 있다. GB 9620982.0에는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 평면외(out of plane) Sin3θ/Cos3θ 진동 모드의 쌍과 조합하여 도 1a 및 도 1b에 나타낸 평면내(in-plane) Sin2θ/Cos3θ 진동 모드의 쌍을 사용하도록 하는 장치가 개시되어 있다. 평면내 Cos2θ 모드는 일반적으로 고정된 진폭으로 유지되는 캐리어 모드(carrier mode)로서 작용한다. 상기 장치가 링의 평면과 수직인 축(z축)을 중심으로 회전되면, 코리올리의 힘이 유발되어 에너지를 상보적인 평면내 Sin2θ 모드와 결합시킨다. 상기 장치가 링의 평면에서 y축을 중심으로 회전되면, 코리올리의 힘이 유발되어 에너지를 평면외 Cos3θ 응답 모드와 결합시킨다. 상기 장치가 링의 평면에서 x축을 중심으로 회전되면, 코리올리의 힘이 유발되어 에너지를 평면외 Sin3θ 응답 모드와 결합시킨다. 상기 유발된 응답 모드 동작의 진폭은 적절한 입력 축에 대하여 인가된 회전 속도와 직접 비례한다. GB 9620982.0에는 또한 도 4a 및 도 4b에 나타낸 평면외 Sin2θ/Cos2θ 진동 모드의 쌍과 조합하여 도 3a 및 도 3b에나타낸 평면내 Sin3θ/Cos3θ 진동 모드의 쌍을 사용하도록 하는 3축 속도 센서 장치가 개시되어 있다. 평면내 Cos3θ 모드는 일반적으로 고정된 진폭으로 유지되는 캐리어 모드로서 작용한다. 상기 장치가 링의 평면과 수직인 축(z축)을 중심으로 회전되면, 코리올리의 힘이 유발되어 에너지를 상보적인 평면내 Sin3θ 모드와 결합시킨다. 상기 장치가 링의 평면에서 y축을 중심으로 회전되면, 코리올리의 힘이 유발되어 에너지를 평면외 Cos2θ 응답 모드와 결합시킨다. 상기 장치가 링의 평면에서 x축을 중심으로 회전되면, 코리올리의 힘이 유발되어 에너지를 평면외 Sin2θ 응답 모드와 결합시킨다. 상기 유발된 응답 모드 동작의 진폭은 적절한 입력 축에 대하여 인가된 회전 속도와 직접 비례한다.
이들 장치에서, 캐리어 모드 및 3개의 응답 모드의 진동수는 거의 동일해야 한다. 이들 진동수가 응답 모드의 진폭과 정확하게 일치됨으로써 구조체의 기계적 품질계수 Q에 의해 진동이 증폭된다. 이것은 불가피하게 제조 공차를 보다 엄격하게 한다. 실질적으로, 진동 구조체 또는 공진기의 밸런스를, 예를 들어 적당한 지점에서 물질을 추가 또는 제거함으로써 미세 조정하기 위해 필요할 수 있다. 이것은 모드에 대한 강성 또는 질량 매개변수를 조절함으로써 모드 진동수를 차등적으로 변화시킨다. 이들 진동수가 Q와 일치하지 않을 때 증폭은 일어나지 않으며 적절한 자이로스코프 성능을 제공하기 위해 픽오프(pick-off)는 충분히 민감하게 만들어져야 한다.
전혀 지지되지 않는 링 구조체를 반경 방향으로 등방성인 재료로 제조하기 위해, 평면내 또는 평면외 SinN/CosN 모드의 임의의 쌍은 임의의 값 N에 대하여 동일한 진동수를 갖게 된다. 여기서 N은 모드 계수이다. 이러한 후퇴는 링을 지지하는 레그 구조체에 대한 조건으로 인해 불안해질 수 있다. 종래 기술의 3축 속도 센서 설계에서는, 지지 레그의 적절한 구성을 위해서 지지 레그의 수 및 간격이 평면내 및 평면외 SinNθ/CosNθ 모드 모두 대칭을 유지하도록 되어 있다. 이것은 현재까지는 다음과 같은 공식을 따르는 레그의 수를 이용하여 달성되었다:
L=N×N1×4
여기서 N은 평면내 모드 계수이고, N1은 평면외 모드 계수이다. Sin2θ/Cos2θ 및 Sin3θ/Cos3θ 모드의 조합을 이용하는 경우에 이것은 등각으로 이격된 24개의 레그가 필요한 것을 나타낸다. 공진기의 크기는 평면내 모드 쌍의 진동수가 평면외 모드 쌍의 진동수와 일치되도록 설정된다.
이들 레그 구조체는 링을 현수하도록 할 필요가 있지만, 평면내 및 평면외 진동 모두에 대하여 본질적으로 비감쇠 진동(undamped oscillation)으로 진동하도록 하여야 하기도 하다. 평면내 및 평면외 동작인 경우에 레그의 전체 강성은 링 자체의 전체 강성보다 상당히 작아서 모드 진동이 링 구조체에 의해 좌우되도록 해야 한다. 요구되는 콤플라이언스 비율(compliance ratio)을 얻기 위해서 레그는 링 림(rim)의 폭보다 상당히 얇아야 할 필요가 있다. 도 5a 및 도 5b는 24개의 레그를 사용하는 GB 9620982.0에서 취한 2개의 적절한 지지 레그 배열을 나타낸다. 이러한 배열에서는 중앙 보스(13)로부터 링(2)의 내주를 향해 외측으로 연장되는 S 또는 C 형상의 레그(3)가 제공된다. 이들 레그는 평면내 반경 방향과 접선 방향동작 및 평면외 반경 방향과 접선 방향 동작에 대하여 유연할 필요가 있다. 동일한 목적을 달성할 수 있는 상세한 레그 설계에 대한 다른 변형도 가능하다는 것을 당업자들은 이해하여야 한다. 이들은 링의 외주로부터 외측 지지 프레임(미도시)을 향해 반경 방향으로 연장되는 외측 레그 지지부를 사용하는 것을 포함한다. 이렇게 감소된 크기는 이들 구조체가 기계적인 구조체의 제조 공정에서 치수 공차의 영향에 보다 취약하게 한다. 이것은 상기 지지 레그 부재의 질량 및 강성에 변화를 일으키고 이것은 모드 운동의 대칭성을 불안하게 함으로써 평면내 및 평면외 모드 쌍 모두의 바람직하지 않은 진동수 분할을 야기한다.
종래 기술에서 설명한 구조체는 여러 공정을 이용하여 다양한 재료로 제조될 수 있다. 이러한 장치가 금속으로 제조되는 경우, 이들 장치는 와이어 침식 기술(wire erosion techniques)을 이용하여 매우 정밀하고 편리하게 기계가공되어 소망의 정확한 치수 공차를 얻을 수 있다. 이러한 공정은 각각의 레그 및 링 구조체의 에지 둘레의 재료를 순차적으로 기계가공하여 제거하는 단계를 포함한다. 기계가공 시간 및 이에 따른 제조비용은 레그의 수에 비례하여 증가한다. 따라서 레그의 수를 최소화하는 것이 매우 유리하다. 다른 공정을 이용하여 다른 재료로 제조되는 구조체에도 유사한 방법이 가해진다.
지지 레그의 수가 감소되지만 비교적 다수의 지지 레그를 갖는 종래 기술의 배열에 비해 임의의 커다란 크기로 링 구조체의 진동에 영향을 주지 않는 평면 링 구조체의 설계가 요구된다.
본 발명은 3개의 축에 인가된 속도를 감지하기 위한 속도 센서에 관한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 평면내 Sin2θ 및 Cos2θ 모드를 나타내는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 평면외 Sin3θ 및 Cos3θ 모드를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 평면내 Sin3θ 및 Cos3θ 모드를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 평면외 Sin2θ 및 Cos2θ 모드를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 종래 기술에 따른, 2개의 가능한 24 지지 레그 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 5 지지 레그를 갖는 공진기의 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 7 지지 레그를 갖는 공진기의 평면도이다.
도 8은 종래 기술의 3축 속도 센서의 평면도이다.
도 9는 도 8에 나타낸 센서의 단면도이다.
도 10은 종래 기술의 다른 3축 센서의 평면도이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 공통 축 둘레로 연장되는 내주 및 외주를 구비하는 실질적으로 링 또는 고리 형상의 구조체를 갖는 실질적으로 평면인 진동 공진기, 상기 공진기를 평면내 Cos2θ 진동 모드로 진동시키기 위한 구동 수단, 상기 구동 수단에 응답하여 상기 공진기의 운동을 감지하기 위한 캐리어 모드 픽오프 수단, z축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면내 Sin2θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단, 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단, x축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Sin3θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단, 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단, y축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Cos3θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단, 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단, 및 상기 공진기를 플렉시블하게 지지하고 상기 구동 수단 및 인가된 회전에 응답하여 상기 공진기를 상기 지지 수단에 대하여 진동시킬 수 있도록 하는 지지 수단을 포함하고, 상기 지지 수단은 단지 L개의 지지 빔만을 포함하되, L≠2J×3K이고, J=0,1 또는 2이며, K=0 또는 1이고, L<24인 3축 속도 센서가 제공된다. 예를 들어 지지 빔은 5개 또는 7개일 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 공통 축 둘레로 연장되는 내주 및 외주를 구비하는 실질적으로 링 또는 고리 형상의 구조체를 갖는 실질적으로 평면인 진동 공진기, 상기 공진기를 평면내 Cos3θ 진동 모드로 진동시키기 위한 구동 수단, 상기 구동 수단에 응답하여 상기 공진기의 운동을 감지하기 위한 캐리어 모드 픽오프 수단, z축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면내 Sin3θ 공진 동작을 감지하기위한 픽오프 수단, 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단, x축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Sin2θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단, 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단, y축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Cos2θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단, 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단, 및 상기 공진기를 플렉시블하게 지지하고 상기 구동 수단 및 인가된 회전에 응답하여 상기 공진기를 상기 지지 수단에 대하여 진동시킬 수 있도록 하는 지지 수단을 포함하고, 상기 지지 수단은 단지 L개의 지지 빔만을 포함하되, L≠2J×3K이고, J=0,1 또는 2이며, K=0 또는 1이고, L<24인 3축 속도 센서가 제공된다. 예를 들어 지지 빔은 5개 또는 7개일 수 있다.
지지 빔이 24개 미만이면 바람직하며, 이것은 제조 공정을 단순화시켜준다.
각각의 지지 빔은 아크부의 대향하는 단부로부터 연장되는 제1 및 제2 직선부를 포함할 수 있다.
실시예에서는 상기 지지 빔이 실질적으로 등각으로 이격된다.
바람직하게, 상기 지지 수단은 돌출된 보스를 가지는 베이스를 포함하며, 실질적으로 링 또는 고리 형상인 구조체의 내주는 상기 링 또는 고리 형상인 구조체의 내주로부터 상기 돌출 보스로 연장되는 지지 빔에 의해 상기 보스와 결합되어 상기 링 또는 고리 형상인 구조체가 상기 베이스와 이격되도록 한다.
실시예에서, 상기 지지 빔의 전체적인 강성은 상기 링 또는 고리 형상인 구조체의 강성보다 작다.
상기 정의한 방식은 레그 동작의 효과를 포함하는 링 또는 고리 형상인 구조체의 운동역학을 상세히 분석함으로써 얻어진 것이다. 본 발명은 레그의 크기가 증가되지만 (링에 비하여) 레그 콤플라이언스가 커질 수 있도록 하는 설계의 유연성을 증대시킬 수 있다. 이러한 설계는 치수 공차 효과에 대하여 민감성을 감소시키고 보다 경제적인 제조가 가능하도록 할 수 있다.
본 발명을 보다 양호하게 이해하도록 하고, 본 발명의 효과를 이해할 수 있도록 이하에서 첨부 도면을 참조하여 실시예를 통해 설명한다.
도 8은 3축 상에 인가되는 속도를 감지하기 위한 센서의 평면도이다. 이 공지된 센서는 단지 예시적으로만 설명되는 것이며, 본 발명에 따라 다른 배열이 사용될 수도 있음을 이해하여야 한다.
본 실시예는 평면내 Sin2θ 및 Cos2θ 모드를 평면외 Sin3θ 및 Cos3θ 모드와 조합하여 이용한다. 링(2)의 위치는 점선으로 나타내었다. 평면내 Cos2θ 캐리어 모드는 유효 중심이 고정된 기준 축 R에 대하여 링(2)의 외주 둘레에 0°및 180°로 위치되는 구동 부재(4)를 이용하여 진동 구동된다. 각 부재에 있어서, 링 원주와 대면하는 링(2)의 평면과 수직인 면은 다른 플레이트를 형성하는 링 원주와 대면하는 세그먼트를 구비한 하나의 커패시터 플레이트를 형성한다. 링(2)은 구동 부재(4)에 대하여 고정된 위치를 유지한다. 구동 부재 플레이트에 캐리어 모드 진동수로 인가되는 진동 전압은 링(2)을 진동시키는 정전기력을 발생하게 된다. 고정된 기준 축 R에 대하여 90°및 270°로 위치되는 캐리어 모드에 있어서, 픽오프 부재(5)는 마찬가지로 대면하는 링 세그먼트를 구비한 커패시터를 형성하고 이 커패시터 간극의 변화에 따라 링(2)의 동작을 검출하는데 이용된다. 축 R에 대하여 45°및 225°로 위치되는 픽오프 부재(6)는 자이로스코프가 z축 둘레에서 회전되는 경우에 평면내 Sin2θ 응답 모드의 진폭을 검출한다. 축 R에 대하여 135°및 315°로 위치되는 z축 구동 부재(7)는 모드 운동을 상쇄시켜서 자이로스코프가 강제 피드백 형태로 작동되도록 사용될 수 있다. 이러한 모드로 작동되는 경우에, 상쇄 구동은 인가된 속도에 비례한다. 이러한 작동 모드는 오픈 루프(open loop) 모드에 비해 유리한 성능을 제공한다.
x축 속도 감도를 제공하는 Cos3θ 평면외 응답 모드는 링 원주 둘레에서 축 R에 대하여 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°위치에서 반절점(anti-node)을 가지게 된다. Sin3θ y축 응답 모드는 축 R에 대하여 30°, 90°, 150°, 210°, 270°, 330°위치에서 반절점을 가지게 된다. 구동 부재 및 픽오프 부재는 이들 반절점 근처에서 임의의 적절한 조합으로 위치될 수 있다. 바람직하게, 상기 림의 바로 아래에는 12개의 플레이트형 부재가 위치되어 상기 플레이트와, 상기 링의 바닥면과 평행하게 대면하는 세그먼트 사이에 커패시터를 형성하도록 한다. 바람직하게, 상기 플레이트는 상기 링 림의 내측 및 외측 에지를 지나 연장되어야 한다. 그러므로 캐리어 모드의 평면내 동작은 유효 플레이트 면적을 변화시키지 않게 되며 의도하지 않게 이들 플레이트형 부재에 의해 검출되지 않게 된다. 0°, 120°, 240°에 위치되는 부재(8)는 x축 픽오프 부재로서 사용된다. 이들 부재로부터의 신호는 동일한 위상이며 바람직하게 함께 합쳐져서 모드 운동의 검출에 향상된 감도를 제공할 수 있다. 축 R에 대하여 60°, 180°, 300°에 위치되는 플레이트형 부재(9)는 모든 부재에 인가되는 동일한 구동 전압을 갖는 구동 부재로서 사용되어 동작을 상쇄시킴으로써 강제 피드백 작동을 용이하게 한다. 마찬가지로, 축 R에 대하여 30°, 150°, 270°에 위치되는 플레이트형 부재(10)는 축 R에 대하여 90°, 210°, 330°에 위치되는 플레이트형 부재(11)를 구비한 y축 픽오프 부재로서 그 모드에 대한 구동 부재를 형성한다.
도 9는 도 8에 대한 단면도이며, y축을 따르는 공진기 링(2)의 중심을 통해 장치 구성을 보다 상세하게 보여준다. x축 및 y축의 구동 부재 및 픽오프 부재는도전측(conductive site)이 절연 기층(12)의 표면상에 놓인다. 이들 도전측은 제어 회로에 전기적으로 접속될 수 있는 접합 패드(미도시)에 트래킹을 통해 연결된다. 링(2)은 지지 레그(3)를 통해 중앙 지지 받침대(13)에 부착된다. 이 받침대는 링(2) 아래에서 연장되고 기층(12)에 단단하게 부착되어 링과 지지 레그가 기층 위에서 자유로이 현수되도록 한다. 평면 모드 구동 부재 및 픽오프 부재는 트래킹에 의해 기층(12)에 단단히 부착되고 접합 패드는 제어 회로로의 연결을 제공한다.
이러한 구성에 대한 변형이 가능하다. 공진기 링(2) 위에 단단히 고정되는 제2 절연 기층을 추가하여 평면외 구동 부재 및 픽오프 부재의 커패시터 플레이트 배열을 2중으로 하면 x축 및 y축을 따르는 자이로스코프의 감도를 향상시키게 된다. 그러나 이것은 제조 공정을 복잡하게 하고 자이로스코프의 본질적인 설계 형태나 기능성을 변경시키지는 않는다.
공지된 3축 자이로스코프는 Sin2θ 및 Cos2θ 평면외 응답 모드와 함께 Sin3θ 및 Cos3θ 평면내 모드를 이용하여 제조될 수 있다. 본 실시예에서, 평면내 Sin3θ 및 Cos3θ와 평면외 Sin2θ 및 Cos2θ 모드 쌍 모두의 후퇴는 유지되어야 한다. 도 10에는 구동 부재 및 픽오프 부재의 배향이 개략적으로 나타나 있다. 자이로스코프의 형태는 구동 부재 및 픽오프 부재의 배치를 제외하고는 전술한 예시와 거의 동일하다. Cos3θ 평면내 캐리어 구동 수단 부재(14)는 고정된 기준 축 R에 대하여 0°, 120°, 240°에 위치되고, 그 픽오프 수단 부재(15)는 축 R에 대하여 60°, 180°, 300°에 위치된다. z축 Sin3θ 평면내 응답 모드 구동 부재(16)는 축 R에 대하여 30°, 150°, 270°에 위치되고, 그 픽오프 부재(17)는축 R에 대하여 90°, 210°, 300°에 위치된다. 평면외 Cos2θ x축 응답 모드 픽오프 부재(18)는 축 R에 대하여 0°, 180°에 위치되고, 그 상쇄 구동 부재(19)는 축 R에 대하여 90°, 270°에 위치된다. y축 평면외 Sin2θ 픽오프 부재(20)는 축 R에 대하여 45°, 225°에 위치되고, 그 상쇄 구동 부재(21)는 축 R에 대하여 1350°, 315°에 위치된다.
3축 자이로스코프에 있어서, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 것과 같은 평면내 Cos2θ/Sin2θ 진동 모드의 쌍은 도 2a 및 도 2b에 나타낸 것과 같은 평면외 Sin3θ/Cos3θ 진동 모드의 후퇴 쌍과 조합되어 이용된다. 평면내 Cos2θ 모드는 일반적으로 고정 진폭으로 유지되는 주 캐리어 모드로서 작용한다. 상기 장치가 링의 평면과 수직인 축(z축)을 중심으로 회전되면, 코리올리의 힘이 유발되어 에너지를 상보적인 평면내 Sin2θ 응답 모드와 결합시킨다. 상기 장치가 링의 평면에서 y축을 중심으로 회전되면, 코리올리의 힘이 유발되어 에너지를 평면외 Cos3θ 응답 모드와 결합시킨다. 상기 장치가 링의 평면에서 x축을 중심으로 회전되면, 코리올리의 힘이 유발되어 에너지를 평면외 Sin3θ 응답 모드와 결합시킨다. 유발된 응답 모드 동작의 진폭은 적절한 입력 축에 대하여 인가된 회전 속도와 직접 비례한다.
레그 동작의 효과를 포함하는 링의 운동역학적 상세 분석은 원하는 진동 모드 쌍의 진동수 일치를 유지하기 위해 필요한 실질적으로 균일하게 이격되는 지지 레그의 수와 관련하여 가능한 선택 범위를 규정하도록 개선된 간단한 공식을 가능하게 하였다.
이러한 분석은 레그 수의 요구조건이 종래에 나타내는 것보다 훨씬 덜 제한적으로 나타낸다. 간단한 공식은 균일하게 이격된 지지 레그의 주어진 수에 대하여 모드가 그 진동수를 분할하게 되는 것을 나타내는 것을 유도하였다. 이들 공식은 평면내 모드 및 평면외 모드 모두에 적용 가능하며 L>2에 대하여 유효하다. L≤이면 모든 모드는 분할되게 된다. 레그의 수 L이 짝수일 때, 계수 N인 모드에 대한 진동수 분할은 다음 조건에서만 일어난다:
N=LK/2
여기서 K는 정수이다. 최대 진동수 분할은 K=1일 때 일어나고 K의 값이 증가함에 따라 감소된다. 레그의 수 L이 홀수이면 진동수 분할은 다음 조건에서만 일어난다:
N=LK
최대 분할은 마찬가지로 K=1일 때 일어나고 K의 값이 증가함에 따라 감소된다.
이들 원리는 전술한 바와 같이 평면외 Sin3θ/Cos3θ와 조합하여 평면내 Sin2θ/Cos2θ를 이용하거나, 평면외 Sin2θ/Cos2θ 모드와 조합하여 평면내 Sin3θ/Cos3θ를 이용하여 공진기를 설계하는데 적용할 수 있다. 이것은 이들 구조체의 레그 수가 더 이상 24개에 한정되지 않는 다는 결론을 가져온다. 평면 공진기 구조체는 다음 공식에 따라 제조될 수 있다:
L≠2J×3K
여기서, J는 0,1,또는 1인 상수이고, K는 0 또는 1인 상수이며, L<24이다.
레그는 등각으로 이격되어야 한다. 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따라 72°로 이격되는 5개의 레그, 51.4°로 이격되는 7개의 레그 등으로 이루어지고 평면내 모드 및 평면외 모드에 대하여 일치할 필요가 있는 모드 진동수를 보존하는 지지 구조체가 이용될 수 있다. 보다 많은 수의 지지 레그를 이용할 수도 있지만 전술한 이유에 의해 보다 적은 수의 지지 레그를 이용하는 것이 유리하다.
도 6 및 도 7에 나타낸 지지 레그 구조체는 단지 적은 수의 지지 레그를 사용할 경우의 가능성을 보여주는 것이다. 이들 구조체는 중앙 보스(13)로부터 외측으로 연장되는 반경 방향 직선 세그먼트(9'), 링의 내주로부터 내측으로 연장되지만 상기 제1 세그먼트로부터 원주 방향으로 변위된 제2 직선 세그먼트(9'")로 이루어진다. 이들 2개의 세그먼트는 궁형 세그먼트(9")에 의해 연결되어 3개의 세그먼트가 일체로 형성되도록 한다. 공진기 구조체의 평면내 반경 방향 강성은 대개 궁형 세그먼트(9")에 의해 결정된다. 평면내 접선 방향 강성은 대개 직선 세그먼트(9', 9'")에 의해 결정된다. 모든 세그먼트는 평면외 강성을 결정하는 역할을 한다. 다수의 레그가 필요한 경우, 궁형 세그먼트(9")의 길이는 인접 레그의 근접도에 의해 엄격하게 한정된다. 그러므로 평면내 반경 방향 콤플라이언스의 유지는 지지 레그의 수가 24개보다 훨씬 적지 않는 한 이들 레그 구조체로는 불가능하다. 이러한 레그 설계는 종래 기술로서 공지되어 있다.
모든 공진기 설계에서, 지지 레그의 통합 강성은 링의 강성보다 작을 필요가 있다. 이것은 모드 진동이 링 구조체에 의해 좌우되고 공진기가 구조체의허브(13)를 통한 결합에서 발생하여 성능에 악영향을 주는 열응력의 영향으로부터 독립되도록 하는 것을 보장한다. 보다 적은 수의 지지 레그를 채용하는 경우, 요구되는 링과 레그의 콤플라이언스 비율은 폭이 증대된 보다 기다란 지지 레그 구성을 이용함으로써 유지될 수 있다. 이렇게 함으로써, 이들 구조체는 제조 과정에서 발생하는 치수 공차 에러의 영향을 덜 받게 된다. 이러한 에러는 Cos2θ/Sin2θ 모드 쌍과 Cosθ/Sinθ 모드 쌍 사이의 진동수 분할을 유도하여 센서의 성능에 악영향을 주게 된다. 이들은 원하는 수준의 성능을 얻기 위해서 일반적으로 기계적인 다듬질 공정을 거쳐야 할 필요가 있다. 따라서 다듬질 공정의 필요성을 저감시킴으로써 비용 및 제조 시간에서 매우 바람직하게 된다.

Claims (8)

  1. 공통 축 둘레로 연장되는 내주 및 외주를 구비하는 실질적으로 링 또는 고리 형상의 구조체를 갖는 실질적으로 평면인 진동 공진기,
    상기 공진기를 평면내 Cos2θ 진동 모드로 진동시키기 위한 구동 수단,
    상기 구동 수단에 응답하여 상기 공진기의 운동을 감지하기 위한 캐리어 모드 픽오프(pick-off) 수단,
    z축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면내 Sin2θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단 및 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단,
    x축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Sin3θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단 및 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단,
    y축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Cos3θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단 및 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단, 및
    상기 공진기를 플렉시블하게 지지하는 지지 수단으로서, 상기 구동 수단 및 인가된 회전에 응답하여 상기 공진기를 상기 지지 수단에 대하여 진동시킬 수 있도록 하는 지지 수단
    을 포함하고,
    상기 지지 수단은 단지 L개의 지지 빔만을 포함하되, L≠2J×3K이고, J=0,1,2이며, K=0,1이고, L<24인
    3축 속도 센서.
  2. 공통 축 둘레로 연장되는 내주 및 외주를 구비하는 실질적으로 링 또는 고리 형상의 구조체를 갖는 실질적으로 평면인 진동 공진기,
    상기 공진기를 평면내 Cos3θ 진동 모드로 진동시키기 위한 구동 수단,
    상기 구동 수단에 응답하여 상기 공진기의 운동을 감지하기 위한 캐리어 모드 픽오프 수단,
    z축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면내 Sin3θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단 및 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단,
    x축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Sin2θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단 및 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단,
    y축을 중심으로 한 회전에 의해 유발되는 평면외 Cos2θ 공진 동작을 감지하기 위한 픽오프 수단 및 상기 동작을 상쇄시키기 위한 구동 수단, 및
    상기 공진기를 플렉시블하게 지지하는 지지 수단으로서, 상기 구동 수단 및 인가된 회전에 응답하여 상기 공진기를 상기 지지 수단에 대하여 진동시킬 수 있도록 하는 지지 수단
    을 포함하고,
    상기 지지 수단은 단지 L개의 지지 빔만을 포함하되, L≠2J×3K이고, J=0,1,2이고, K=0,1이고, L<24인
    3축 속도 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    L<24인 것을 특징으로 하는 3축 속도 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 빔 각각은 아크부(arcuate portion)의 대향하는 단부로부터 연장되는 제1 및 제2 직선부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 속도 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 빔은 실질적으로 등각으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 3축 속도 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 수단은 돌출된 보스를 가지는 베이스를 포함하며, 실질적으로 링 또는 고리 형상인 상기 구조체의 내주는 상기 링 또는 고리 형상인 구조체의 내주로부터 상기 돌출된 보스 쪽으로 연장되는 상기 지지 빔에 의해 상기 보스와 결합되어, 상기 링 또는 고리 형상인 구조체가 상기 베이스와 이격되도록 하는 것을 특징으로 하는 3축 속도 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 빔의 전체적인 강성은 상기 링 또는 고리 형상인 구조체의 강성보다 작은 것을 특징으로 하는 3축 속도 센서.
  8. 첨부도면 중의 도 6 또는 도 7를 참조하여 설명된 것 및/또는 상기 도면에 도시되어 있는 것과 같은 3축 속도 센서.
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