KR20040031089A - 진동형 자이로스코프식 속도 센서 - Google Patents

진동형 자이로스코프식 속도 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명의 단일 축 속도 센서는 공통 축(z) 둘레에 연장되는 내주 및 외주(1a, 1b)를 갖는 실질적으로 링 또는 후프형 구조로 이루어진 실질적으로 평면 진동형 공진기(1), 상기 공진기(1)를 Cos2θ 진동 모드로 진동시키는 구동 수단(6), 상기 구동 수단 픽-오프 수단(9)에 응답하여 상기 공진기(1)의 동작을 감지하여 z-축을 중심으로 하는 회전에 의하여 유도된 Sin2θ 진동 모드 동작을 검출하는 캐리어 모드 픽-오프 수단(7), 상기 동작을 제로로 하는 Sin2θ 진동 모드 구동 수단(8), 및 상기 공진기(1)를 신축성있게 지지하고, 상기 공진기(1)를 상기 구동 수단, 또는 인가된 회전에 응답하여 지지 수단(2)에 대하여 진동할 수 있도록 하는 지지 수단(2)을 포함하고, 상기 지지 수단은 단지 L개의 지지 빔을 포함하고, 여기서 L ≠ 2K이며 K = 0, 1, 2 또는 3이다.

Description

진동형 자이로스코프식 속도 센서 {VIBRATORY GYROSCOPIC RATE SENSOR}
단일 축 코리올리 속도 센서에 링 형상의 공진기를 사용하는 것은 공지되어 있다. 이러한 장치의 예는 EP 0581407 A1(노리스-메탈 링), GB 9703357.5(유도 자이로), GB 9817347.9(용량 자이로) 및 US 5,450,751(델코 링 장치)에 기재되어 있다. 상기 장치들은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 상호각 45°로 존재하는 축퇴(degenerate) Cos2θ 및 Sin2θ 모드를 사용한다. 동작 시, 이들 모드 중 하나인, 도 3a는 캐리어 진동 모드로 여기된다. 링의 평면에 대하여 수직인 축을 중심으로 인가된 회전으로 인하여 에너지를 도 3b의 응답 모드와 커플링시키는 코리올리힘이 유도되고, 응답 모드의 동작 진폭은 인가된 속도에 정비례한다.
예를 든 공지된 장치 모두에 있어서, 캐리어 모드 및 응답 모드 진동수는 공칭 동일한 것을 필요로 한다. 상기 링 구조를 지지하는 레그 구조(leg structure)는 링의 부착 지점에 작용하는 각기 다른 스프링 질량(spring mass)의 효과를 갖는다. 이로써 이들 레그 구조는 질량 및 강성을 국부적으로 변경, 즉 모드 진동수를 변화시킨다. 이들 지지 레그의 개수 및 위치는 캐리어 모드 및 응답 모드의 힘이 차동적으로 제한되지 않도록 해야 한다. 따라서, 양자 모드 모두의 진동수가 변화하지만, 이들 진동수는 동일한 양으로 변하며 진동수는 분할되지 않는다. 이를 달성하는데 필요한 지지 레그의 개수는 4n이고, 여기서 n은 노드 직경 개수(Cos2θ 모드에 있어서 n=2)이며 k는 정수이고, 90°/n로 각도가 분리되어 있다. 상기 장치 모두에 있어서는, 8개의 등각으로 이격된 지지 레그를 사용함으로써 달성된다.
이들 레그 구조는 링을 공중에 떠 있게 하는 것이 필요할 뿐만 아니라 당연히 감쇠되지 않은 진동으로 진동할 수 있도록 해야 한다. 도 1은 GB 9817347.9에 도시된 바와 같은 유형의 장치를 도시한 도면으로서, 상기 장치는 공통 축(7) 둘레에 각각 연장되는 내주 및 외주(1a, 1b)를 갖는 실질적으로 링 또는 후프형 구조로 이루어진 실질적으로 평면 진동형 공진기(1)를 갖는다. 공진기(1)를 지지하고 공진기가 구동 수단에 응답하여 실질적으로 감쇠되지 않은 진동 모드로 진동할 수 있도록 8개의 가요성 지지 레그(9)가 제공됨으로써, 공진기(1)가 회전 속도에 응답하여 견고하게 고정된 중앙 지지 보스(4)에 대하여 이동할 수 있다. 각각의 지지 레그(2)는 중앙 보스(10)로부터 공진기(5) 쪽으로 연장되는 제1 직선부(21), 및 공진기(5)의 내주로부터 공통 축(211) 쪽으로 연장되지만 제1 직선부(21)로부터 반경방향으로 변위된 제2 직선부(211)를 포함한다. 제1 및 제2 레그부(21, 211)는 진동형 공진기(1)와 동심원 상의 아치형 레그부(2111)에 의하여 연결된다. 상기 3개의 레그부는 일체로 형성된다.
상기와 같은 장치에 있어서, 레그의 반경 방향 및 접선 방향 강성은 모드 진동이 링 구조에 의하여 좌우되도록 링 자체의 강성보다 현저하게 낮아야 한다. 반경 방향 강성은 레그의 아치형 세그멘트(2111)의 길이에 의하여 대부분 결정된다. 레그의 직선 세그멘트(21, 211)는 접선 방향 강성을 좌우한다. 상기 구조의 레그는 레그 구조의 아크 각도가 인접하는 레그의 근접성에 의하여 제한되기 때문에 링 대 레그 컴플라이언스 비율을 유지한다는 것이, 특히 반경 방향 강성에 있어서, 점점 곤란해진다. 상기 요구는 지지 레그의 기계적 설계에 바람직하지 않은 제한을 가하고, 링 림에 비하여 얇은(링의 평면에서) 레그 구조를 사용하는 것이 필요하게 된다. 상기 감소된 치수는 이들 구조가 기계적 구조의 제조 공정 시 치수 공차의 결과에 더욱 영향을 받기 쉽도록 한다. 이로써 이들 지지 레그의 질량 및 강성이 변경되어 모드 다이내믹스의 대칭을 방해, 즉 Cos2θ 진동 모드 쌍 사이에 진동수 분할을 유도한다.
종래 기술에 기재된 구조는 복수의 공정을 사용하여 다양한 재료로 제조될 수 있다. 상기 장치를 금속으로 제조하는 경우 이들 장치는 요구되는 아치형 치수 공차가 달성되도록 와이어 부식(wire erosion) 기술을 사용하여 매우 높은 정밀도로 간편하게 기계 가공될 수 있다. 상기 공정에는 각각의 레그의 에지 및 링 구조 둘레의 재료를 순차적으로 기계 가공하여 제거하는 단계를 포함한다. 기계 가공 시간, 즉 생산 비용은 레그의 개수에 비례하여 증가된다. 따라서 레그의 개수를 최소로 하는 것이 매우 바람직하다. 다른 공정을 사용하여 다른 재료로 제조하는 구조에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
지지 레그의 개수는 감소되지만 링 구조의 진동에는 비교적 개수가 많은 지지 레그를 갖는 종래 기술의 장치에 비해 크게 영향을 주지 않는 평면 링 구조로 설계하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명은 단일 축 상에 인가된 속도를 감지하는 속도 센서에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 8개의 지지 레그를 갖는 진동형 구조 자이로스코프의 평면도이다.
도 2는 도 1의 자이로스코프의 상세 부분의 에지도이다.
도 3a는 대칭 공진기 또는 캐리어 모드로서 작용하는 진동 구조인 Cos2θ 모드 진동의 개략도이다.
도 3b는 도 3a와 동일하지만 응답 모드로서 작용하는 45°에서의 Sin2θ 모드의 개략도이다.
도 4, 도 5, 및 도 6은 본 발명에 따른 3개, 5개 및 6개의 지지 레그를 갖는진동형 구조 자이로스코프의 평면도이다.
본 발명의 제1 양태에 있어서, 공통 축 둘레에 연장되는 내주 및 외주를 갖는 실질적으로 링 또는 후프형 구조로 이루어진 실질적으로 평면 진동형 공진기, 상기 공진기를 Cos2θ 진동 모드로 진동시키는 구동 수단, 상기 구동 수단에 응답하여 상기 공진기의 동작을 감지하는 캐리어 모드 픽-오프 수단, Z 축을 중심으로 하는 회전에 의하여 유도된 Sin2θ 진동 모드 동작을 검출하는 픽-오프 수단, 상기 동작을 제로로 하는 Sin2θ 진동 모드 구동 수단, 및 상기 공진기를 신축성있게 지지하고 상기 공진기를 상기 구동 수단 또는 인가된 회전에 응답하여 지지 수단에 대하여 진동하도록 할 수 있는 지지 수단을 포함하고, 상기 지지 수단은 단지 L개의 지지 빔을 포함하며, 여기서 L≠2K및 K = 0, 1, 2, 또는 3인 단일 축 속도 센서가 제공된다. 예를 들면, 지지 빔이 3개, 5개, 6개 또는 7개일 수 있다.
8개 이하의 지지 빔을 사용하는 것이 제조 공정이 간단하기 때문에 바람직하다.
각각의 지지 빔은 아치형 부분의 대향하는 말단으로부터 연장되는 제1 및 제2 직선부를 포함할 수 있다.
실시예에서, 지지 빔은 실질적으로 등각으로 이격되어 있다.
간편하기로는, 지지 빔은 돌출된 보스를 갖는 베이스를 포함하고, 실질적으로 링 또는 후프형 구조의 내주는 링 또는 후프형 구조의 내주로부터 돌출된 보스 쪽으로 연장되는 지지 빔에 의하여 보스에 결합된다.
실시예에서, 지지 빔의 총 강성은 링 또는 후크형 구조의 강성보다 더 낮다.
상기 공식은 레그 동작의 효과를 포함하여 링 또는 후크형 구조 다이내믹스를 상세하게 분석함으로써 얻어진다. 본 발명은 레그 컴플라이언스(링에 대하여)를 더 크게 하는 반면 레그 치수(링의 평면에서)를 더 증가시킬 수 있는 개선된 설계 융통성을 제공할 수 있다. 상기 설계는 치수 공차 효과에 대한 예민성이 감소되고 보다 경제적으로 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕고 본 발명의 실행 방법을 나타내기 위하여 첨부 도면을 참조하여 예를 들어 설명한다.
진동형 구조 자이로스코프로서 사용하기에 적합한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 각속도 센서는 내주(1a) 및 외주(1b)를 갖는 실질적으로 링 또는 후프형 형상의 구조로 이루어진 실질적으로 평면 진동형 공진기(1)를 포함한다. 내주 및 외주(1a, 1b)는 첨부 도면 중 도 2에 도시된 바와 같은 공통 축(Z) 둘레에 연장된다. 센서는 공진기(1)를 지지하고, 구동될 때, 공진기(1)가 회전 속도에 응답하여 지지 수단에 대하여 이동하도록 공진기(1)를 실질적으로 감쇠되지 않은 진동 모드로 진동할 수 있도록 하는 복수의 가요성 지지 빔(2)을 포함하는 지지 수단을 또한 포함한다. 지지 수단은 전기적으로 절연성인 재료로 제조되고 돌출된 보스(4)를 갖는 베이스(3)를 또한 포함한다. 전기적으로 절연성인 재료로 제조된 베이스(3)는 베이스를 전기적으로 접지시키는 수단을 갖는다. 공진기(1)의 내주(1a)는, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 링 또는 후프형 형상의 공진기 구조가 보스(4)와 이격되도록 내주(1a)로부터 보스(4) 쪽으로 연장되는 지지 수단(2)에 의하여 보스(4)에 결합된다. 지지 빔(2)의 총 강성은 링형 공진기(1)의 강성보다 더 낮다. 이와 같이 캐버티(5)가 링형 공진기(1) 및 지지 빔(2) 바로 하측 영역에 지지 빔이 보스(4)로부터 자유롭게 매달리도록 제공된다. 첨부 도면 중 도 1 및 도 2에 예시된 종래 기술의 센서에는, 8개의 등각으로 이격된 지지 빔(2)이 배열되어 있다.
공진기 구조는 정전 구동 수단에 의하여 Cos2θ 모드(도 3a 참조) 진동수의공진으로 여기되고, 그 결과 얻어지는 동작은 정전 픽-오프 수단에 의하여 검출된다.
지지 빔(2) 및 공진기(1)는 결정체로 된 실리콘으로 제조되고, 센서는 공진기(1)를 진동시키는 정전 구동 수단 및 공진기(1)의 동작을 감지하는 정전 감지 수단을 또한 포함한다. 정전 구동 수단 및 정전 감지 수단은 결정체로 된 실리콘을 사용하여 공진기(1)의 인접하는 외주(1b)로부터 이격된 공간(11)의 공진기(1)의 평면과 실질적으로 수직으로 위치된 면(10)을 갖는 변환기 형태로 제조되는 플레이트형 부재(6, 7, 8, 9)를 포함한다.
정전 구동 수단은 공진기(1)를 Cos2θ 캐리어 모드로 진동시키는 두 개의 정전 캐리어 모드 플레이트형 구동 부재(6)를 포함하고, 캐리어 모드 구동 부재(6)는 공진기(1)의 평면에 위치된 고정 기준 축(R)에 대하여 0°및 180°에 위치된다. 기준 축(R)은 공진기(1)의 기하학적 중심으로부터 캐리어 모드 구동 부재(6) 중 하나의 중심점까지를 취한다. 정전 구동 수단은 기준 축(R)에 대하여 45°및 225°로 위치된 두 개의 정전 응답 모드 플레이트형 구동 부재(8)를 또한 포함한다.
정전 감지 수단은 기준 축(R)에 대하여 90°및 270°로 위치된 두 개의 정전 캐리어 모드 플레이트형 픽-오프 부재(7) 및 공진기(1)의 평면과 수직인 축, 즉 축(Z)을 중심으로 하는 센서의 회전에 대한 공진기(1)의 동작을 감지하는 두 개의 응답 모드 플레이트형 픽-오프 부재(9)를 포함하고, 상기 응답 모드 픽-오프 부재(9)는 기준 축(R)에 대하여 135°및 315°로 위치된다.
센서가 Z축을 중심으로 회전할 때, 코리올리힘은 인가된 속도와 정비례하는동작 진폭을 가진 응답 모드로 에너지를 결합시킨다. 상기 동작은 픽-오프 부재(9)에 의하여 검출된다. 속도 유도 동작은 응답 모드 구동 부재(8)에 의하여 제로로 되어 센서가 성능 장점을 제공하는 것으로 공지된 폐쇄 루프 구성으로 동작할 수 있다. 상기 동작 모드에서 제로로 하는 힘은 인가된 속도에 정비례한다.
전술한 바와 같이, 구동 및 픽-오프 변환기는 결정체로 된 실리콘으로 형성된 플레이트형 부재와 동일하다. 공진기(1)의 평면과 수직인 플레이트면(10)은 공진기(1)의 인접하는 세그멘트의 대향면을 가진 커패시터를 형성한다. 플레이트는 인접하는 변환기 부재 사이에 5°의 각간격(angular spacing)으로 40°의 각도 범위를 정한다. 커패시터 간격(11)은 커패시터 플레이트 면적을 가로 질러 일정한 값으로 유지된다. 변환기 사이트, 및 공진기(1)의 중앙 보스는 유리와 같은 전기적으로 절연성인 재료를 포함하는 지지 베이스(3)에 견고하게 고정된다.
공진기 구조는 구동 및 픽-오프 부재에 대하여 일정한 DC 바이어스 전압으로 유지된다. 상기 구조는 결합 와이어(bond wire)(도시되지 않음)에 의하여 제어 회로로부터 중앙 보스(4)에 위치된 공진기 구조의 면 상에 퇴적된 금속 결합 패드(14) 상으로 전기적으로 접속된다. 결합 패드(15)는 구동 및 픽-오프 부재의 상면에도 또한 퇴적된다.
레그 동작의 효과를 포함하는 링 다이내믹스의 상세한 분석으로 인하여 원하는 진동 모드 쌍과 일치되는 진동수를 유지하는데 필요한 실질적으로 균등하게 이격된 지지 레그 개수에 있어서 이용가능한 선택 범위를 나타내는 간단한 공식으로 전개될 수 있다.
분석에 따르면 레그의 필요한 개수는 전술한 개수보다 훨씬 제한적이지 않다는 점을 알 수 있다. 어느 모드가 소정 개수의 균일하게 이격된 지지 레그마다 분할된 진동수를 갖는 가를 나타내는 간단한 공식이 유도된다. 상기 공식은 평면 내 및 평면 외 CosNθ 모드 양자 모두에 일반적으로 적용가능하며, 여기서 N는 모드 계수이고 L>2가 효과적이다. L≤2인 경우 모든 모드는 분할된다. 짝수인 레그, L에 있어서, 계수 N의 모드에 대한 진동수 분할은 다음 조건을 충족시킬 때에만 발생된다.
N =LK/2
여기서 K는 정수이다. 최대 진동수 분할은 K=1일 때 발생되고 K가 증가할 때 감소된다. 레그, L의 개수가 홀수인 경우, 진동수 분할은
N = LK
인 경우에만 발생된다.
최대 분할은 K=1일 때 또한 발생되고 K값이 증가할 때 감소된다.
이들 일반적인 원리를 Cos2θ 모드를 사용하는 종래 기술의 단일 축 평면 링 공진기 설계에 적용하게 되면 지지 레그의 개수가 8개로 제한되지 않는다는 결론에 이르게 된다. 다음 공식을 충족시키는 지지 레그 구조를 갖는 평면 링 공진기 구조를 가질 수 있게 되고,
L ≠ NK
여기서, N는 모드 계수(Cos2θ 모드에 대하여 =2)이며, K는 0, 1, 2 또는 3의 값을 갖는 정수이다. 레그는 등각으로 이격되어야 한다.
따라서, 원하는 모드 진동수 매칭을 갖고 코리올리 속도 센서에 사용하기에 적합한 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 120°로 이격된 3개의 레그, 72°로 이격된 5개의 레그, 60°로 이격된 6개의 레그, 51.4°로 이격된 7개의 레그 등을 포함하는 지지 구조가 사용될 수 있다. 8개 이상의 레그를 제공하는 것이 모드 진동수 매칭을 가질 수 있지만, 전술한 이유 때문에 7개 이상의 레그를 제공하는 것은 바람직하지 않다.
모든 공진기 설계에 있어서, 지지 레그의 결합된 강성은 링의 강성보다 더 낮게 되는 것이 필요하다. 이로써 모드 진동은 링 구조에 의하여 좌우되고, 성능에 악영향을 미치게 되는 구조의 허브(20)를 거쳐 결합되는 열적으로 유도되는 응력의 효과로부터 공진기를 격리시키는데 확실하게 도움을 준다. 지지 레그 개수를 더 적게 사용함으로써, 원하는 레그 대 링 컴플라이언스 비율이 폭이 큰 기다란 지지 레그를 사용함으로써 유지될 수 있다. 이로써 상기 구조는 제조 공정 도중에 발생하는 치수 허용 오차의 영향을 덜 받게 된다. 상기 오차는 Sin2θ와 Cos2θ 모드 사이에서 진동수 분할을 유도하고, 이것은 센서의 성능에 바람직하지 않다. 이것은 원하는 성능 수준이 달성되도록 기계적 트리밍 처리를 필연적으로 사용하는 것이 일반적이다. 따라서, 이러한 트리밍 처리의 필요성을 감소시키는 것이 비용 및 제조 시간 면에서 매우 바람직하다.

Claims (7)

  1. 공통 축 둘레에 연장되는 내주 및 외주를 갖는 실질적으로 링 또는 후프형 구조로 이루어진 실질적으로 평면 진동형 공진기,
    상기 공진기를 Cos2θ 진동 모드로 진동시키는 구동 수단,
    상기 구동 수단 픽-오프 수단에 응답하여 상기 공진기의 동작을 감지하여 z-축을 중심으로 하는 회전에 의하여 유도된 Sin2θ 진동 모드 동작을 검출하는 캐리어 모드 픽-오프 수단,
    상기 동작을 상쇄시키는 Sin2θ 진동 모드 구동 수단, 및
    상기 공진기를 신축성있게 지지하는 지지 수단으로서, 상기 구동 수단, 또는 인가된 회전에 응답하여 지지 수단에 대하여 상기 공진기를 진동할 수 있도록 하는 지지 수단
    을 포함하고,
    상기 지지 수단은 단지 L개의 지지 빔을 포함하고, 여기서 L ≠ 2K이며 K = 0, 1, 2 또는 3인
    단일 축 속도 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    L<8인 것을 특징으로 하는 속도 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 지지 빔은 아치형 부분의 대향하는 말단으로부터 연장되는 제1 및 제2 직선부를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 빔은 실질적으로 등각으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 속도 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 수단은 돌출된 보스를 갖는 베이스를 포함하고,
    상기 실질적으로 링 또는 후프형 구조의 내주는 상기 링 또는 후프형 구조의 상기 내주로부터 상기 돌출된 보스 쪽으로 연장되는 상기 지지 빔에 의하여 상기 보스에 결합되는 것을 특징으로 하는
    속도 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 빔의 총 강성은 상기 링 또는 후프형 구조의 강성보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 속도 센서.
  7. 실질적으로 전술한 설명 및/또는 첨부 도면 중 도 4, 도 5 또는 도 6에 실질적으로 예시된 바와 같은 속도 센서.
KR10-2004-7003768A 2001-09-14 2002-09-06 진동형 자이로스코프식 속도 센서 KR20040031089A (ko)

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