KR20040031091A - 진동형 자이로스코프 속도 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2축 자이로스코프 속도 센서로서, 링 또는 후프형 구조체를 구비하는 평면의 진동형 공진기(5), 상기 공진기(5)를 Cosnθ 진동 모드로 진동시키는 캐리어 모드 구동 수단(22), 상기 공진기(5)의 운동을 감지하는 캐리어 모드 픽오프 수단(23), X축 및 y축에 대한 회전에 응답하여 공진기 운동을 감지하는 X축 및 y축 응답 모드 픽오프 수단(25, 27), 상기 운동을 상쇄시키는 X축 및 y축 응답 모드 구동 수단(24, 26), 상기 공진기(5)를 유연하게 지지하는 지지 수단(9)을 포함하고,
상기 지지 수단(9)은 상기 구동 수단(22) 및 인가된 회전에 응답하여 상기 지지 수단에 대하여 상기 공진기(5)의 진동을 가능하게 하며, 상기 지지 수단(9)은 단지 L개의 레그(legs)를 포함하고,
L이 짝수이면 L=2N/K 이며 또한, L이 홀수이면 L=N/K이고,
여기서 K는 정수이며, L>2 이고 N은 캐리어 모드 계수인 것을 특징으로 한다.
Description
2축 코리올리 속도 센서에서 링형상 공진기의 사용이 잘 알려져 있다. 상기 장치의 예 및 그 모드 작동이 영국 특허 GB 2335273 및 GB 2318184에 설명되어 있다.
영국 특허 GB 2335273에 설명되어 있는 장치는 평면 내부 sin(N±1)θ/cos(N±1)θ 진동 모드의 퇴화 쌍(degenerate pair)과 조합하여 단일 평면 외부 cosNθ(여기서 N은 모드 계수임) 진동 모드를 사용한다. 평면 외부 cosNθ 모드는 일반적으로 고정 진동 진폭으로 유지되는 주 캐리어 모드로서 작용한다. 고유축을 중심으로 회전중에, 에너지를 평면 내부 sin(N±1)θ/cos(N±1)θ 모드로 커플링(coupling)시키는 코리올리 힘이 유도된다. 유도된 평면 내부 응답 모드 운동의 진폭은 인가된 회전 속도에 정비례한다.
영국 특허 GB 2318184에 설명되어 있는 2축 속도 센서 구조는 평면 외부 sin(N±1)θ/cos(N±1)θ 진동 모드의 퇴화 쌍과 조합하여 단일 평면 내부 cosNθ 진동 모드를 사용한다. 평면 내부 cosNθ 모드는 일반적으로 고정 진동 진폭으로 유지되는 주 캐리어 모드로서 작용한다. 고유축을 중심으로 회전중에, 에너지를평면 외부 sin(N±1)θ/cos(N±1)θ 모드로 커플링시키는 코리올리 힘이 유도된다. 유도된 평면 외부 응답 모드 운동의 진폭은 인가된 회전 속도에 정비례한다.
모든 예의 장치에서, 캐리어 모드 및 2 응답 모드 진동수는 대체로 일치하도록 요구된다. 이들 진동수가 정확히 조화되면, 응답 모드 진동의 진폭이 구조체의 기계적 품질 인자, Q에 의하여 증폭된다. 이것은 필연적으로 더 엄격한 제조 허용오차를 만든다. 실제로, 적당한 지점에서 재료를 첨가하거나 또는 제거함으로써 진동 구조체 또는 공진기의 발란스를 미세 조정하는 것이 필요할 수 있다. 이것은 상기 모드용 질량 파라미터의 강성(stiffness)을 조절하며 따라서 모드 진동수를 변경한다. 상기 진동수가 Q와 조화되지 않으면, 증폭이 발생되지 않으며 픽오프(pick-offs)가 적당한 자이로스코프 성능을 제공하도록 충분히 감도 좋게 제조되어야 한다. 방사상 등방성 재질로 제조되는 완전히 지지되지 않는 링 구조체에 대하여, 평면 내부 또는 평면 외부 sinNθ/cosNθ 모드의 임의의 쌍은 임의의 값 N에 대하여 동일한 진동수를 가진다. 이 퇴화(degeneracy)는 링을 지지하는 레그 구조체에 대한 조건 때문에 교란될 수 있다. 이것들은 링에 부착되는 지점에서 모드 질량 및 강성을 변경하는 국부 스프링체(point spring mass)에 영향을 미친다. 상기에서 설명한 구조에서, 지지 레그의 개수 및 간격은 응답 모드 쌍의 대칭이 유지되도록 되어 있다. 이 조건을 달성하는 전술한 조건은 레그의 개수, L이
L=4×N
식으로 주어진다는 것이며, 여기서 N은 응답 모드 계수이다. 상기 레그는 90°/N의 각 분할로 설정된다. 공진기 치수는 캐리어 모드 진동수를 응답 모드 쌍의 진동수에 조화되도록 설정된다. 캐리어 모드 쌍의 제2 상보성 모드의 진동수의 조화는 필요로 하지 않는다.
cosNθ 캐리어 모드와 그 상보성 sinNθ 모드 사이에 계획적인, 큰 진동수 분할을 포함하는 것은 이들 모드 사이에 바람직하지 않은 상호작용을 방지하고 캐리어 모드의 방향을 링에 고정한다는 점에서 바람직하다. 모드 방향의 고정은 캐리어 모드 구동 및 픽오프가 캐리어 모드 진동을 야기하고 감지하도록 최적의 각도 위치로 정밀하게 정렬될 수 있도록 한다. 영국 특허 GB-A-2335273 및 GB-A2318184는 CosNθ 캐리어 모드 및 그 상보성 SinNθ 모드에 대하여 알려진 고정 모드 방향을 이용하여 큰 진동수 분할을 얻는 방법에 대한 가르침을 제공하지 않는다.
레그의 개수에 대한 상기 조건은 sin2θ/cos2θ 모드 쌍에 대하여 8개의 지지 레그가 필요하고, sin3θ/cos3θ 모드 쌍에 대하여 12의 지지 레그가 필요하며, sin4θ/cos4θ 모드 쌍 등에 대하여 16개의 지지 레그가 필요하다는 것을 나타낸다. 이들 레그 구조체는 링이 매달려 있도록 해야 하지만 상기 구조체의 회전의 결과로서 유도되는 코리올리 힘 및 인가된 구동력에 응답하여 본질적으로 감쇠되지 않은 진동으로 링을 진동시킬 수 있도록 해야 한다. 평면 링 구조체를 사용하는 2축 속도 센서를 매다는데 적합한 레그 구조가 도 1에 도시된다. 이 구조는 12개의 레그를 가지며 종래 기술에 따른 sin3θ/cos3θ 모드 쌍(레그의 개수=4×n, 여기서 n=3)을 사용하는 센서와 함께 사용하기 위한 적당한 배치이다. 이들 지지 레그는 공통축을 향하여 반경방향으로 뻗어 있는 링(5)의 내주에 부착되는 제1 직선부(9'), 중앙 허브(central hub)로부터 중앙축(8) 멀리 연장되고 상기 제1 직선부로부터 반경방향으로 이동되는 제2 직선부(9'')를 포함한다. 상기 제1 및 제2 직선부는 상기 링(5)과 동일한 중심으로 갖는 아치형부(9''')에 의하여 연결된다. 상기 세 부분은 일체로 형성된다. 링 구조체를 지지하는데 동일한 기능을 제공하는 다른 레그 구조(예를 들면, S형상 또는 C형상 구조체)가 사용될 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 또한 이들 레그는 링 구조체의 내부 또는 외부에 부착될 수 있다.
이들과 같은 장치에 대하여, 레그의 반경방향 및 접선방향 강성은 모드 진동이 링 구조체에 의하여 좌우되도록 링 그 자체의 강성보다 상당히 작다. 반경방향 강성은 레그의 아치형부(9''')의 길이에 의하여 주로 결정된다. 레그의 직선부(9', 9'')는 접선방향 강성을 좌우한다. 상기 레그 구조체의 전체 길이는 강성에 의하여 평면 외부를 대체로 결정한다. 이러한 구조의 레그에 의하여, 레그 구조체의 원호 각도가 인접하는 레그의 근접에 의하여 제한됨에 따라, 특히 반경방향 강성에 대하여, 링 대 레그 컴플라이언스 비율을 유지하는 것이 상당히 어렵게 된다. 이 요구조건은 지지 레그의 기계적 구조에 까다로운 제한을 가하고 링 림(ring rim)에 비하여 (링의 평면에)얇은 레그 구조체의 사용을 필요로 한다. 이 감소된 치수는 이들 구조체를 기계적 구조체의 제조 공정에서 치수 허용오차에 더욱 영향을 받기 쉽도록 한다. 이것은 모드 동력학의 대칭을 교란하는, 이들 지지 레그 부재의 질량 및 강성의 변화를 초래하며, 따라서 응답 모드의 진동수 분할을 유도한다.
종래 기술에서 설명된 구조체는 다수의 공정을 사용하여 다양한 재질로 제조될 수 있다. 상기 장치가 금속으로 제조되면 상기 장치는 요구되는 정확한 치수 허용오차를 달성하기 이하여 와이어 부식법(wire erosion techniques)을 사용하여 고 정밀도로 바람직하게 기계가공될 수 있다. 이 공정은 각각의 레그의 에지 및 릴 구조체 주위에 재료를 순차적으로 제거하는 기계가공 단계를 포함한다. 기계가공 시간, 따라서 제조 비용이 레그의 개수에 비례하여 증가된다. 지금까지 요구되는 레그의 개수은 모드 계수와 함께 급속히 증가된다. 따라서 레그의 개수를 최소화하는 것이 특히, 매우 높은 계수 모드를 이용하는 설계에 대해, 매우 바람직하다. 유사한 문제점이 다른 공정을 사용하여 다른 재질로 제조되는 구조체에 적용된다.
본 발명은 2축에 대한 작용 속도를 감지하는 속도 센서에 관한 것이다.
도 1은 12개의 지지 레그를 구비하며, 본 발명에 따르지 않은 진동형 구조 자이로스코프의 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 2축 속도 센서의 평면도를 도시한다.
도 3은 도 2의 실시예의 상세 에지 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 4개의 지지 레그를 구비하는 진동형 구조체(공진기)의 평면도이다.
도 5a는 캐리어 모드로서 작용하는 대칭형 공진기 또는 진동형 구조체의 평면 내부 Cos2θ 모드 진동을 개략적으로 도시한다.
도 5b는 응답 모드로서 작용하는 평면 내부 Sin2θ 모드의 개략도이다.
도 6a 및 도 6b는 평면 외부 Cos2θ/Sin2θ 모드의 정렬을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 3개의 지지 레그를 구비한 진동형 구조체의 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 6개의 지지 레그를 구비한 진동형 구조체의 평면도이다.
도 9a 및 도 9b는 평면 내부 Cos3θ/Sin3θ 모드를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 평면 외부 Sin3θ/Cos3θ 모드의 정렬을 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 4개의 지지 레그를 구비한 진동형 구조체의 평면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 8개의 지지 레그를 구비한 진동형 구조체의 평면도이다.
도 13a 및 도 13b는 평면 내부 Sin4θ/Cos4θ 모드를 개략적으로 도시한다.
도 14a 및 도 14b는 평면 외부 Cos4θ/Sin4θ모드를 개략적으로 도시한다.
cosNθ 캐리어 모드와 그 상보성 SinNθ 모드 사이에 큰 진동수 분할을 제공하며 따라서 그 방향을 링 구조체에 고정하는 2축 속도 센서 장치를 사용하기 위한 평면 링 구조체를 구성하는 것이 바람직하다. 이것은 진동수가 조화되도록 sin(N±1)θ/cos(N±1)θ 응답 모드 쌍의 동적 대칭을 유지하는 동안 달성된다. 감소된 개수의 지지 레그 구조체를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 실시예에 따라, 공통 축 둘레에 뻗어 있는 내주 및 외주를 갖는 실질적으로 링(ring) 또는 후프(hoop)형 구조체를 구비하는 실질적으로 평면의 진동형 공진기(planar vibratory resonator), 상기 공진기를 CosNθ 진동 모드로 진동시키는 캐리어 모드 구동 수단(carrier mode drive means), 상기 캐리어 모드 구동 수단에 응답하여 상기 공진기의 운동을 감지하는 캐리어 모드 픽오프수단(carrier mode pick-off means), X축에 대한 회전에 응답하여 공진기 운동을 감지하는 X축 응답 모드 픽오프 수단, 상기 운동을 상쇄시키는 X축 응답 모드 구동 수단, y축에 대한 회전에 응답하여 공진기의 운동을 감지하는 y축 응답 모드 픽오프 수단, 상기 운동을 상쇄시키는 y축 응답 모드 구동 수단, 및 상기 공진기를 유연하게 지지하는 지지 수단을 포함하고,
상기 지지 수단은 상기 구동 수단 및 인가된 회전에 응답하여 상기 지지 수단에 대하여 상기 공진기의 진동을 가능하게 하며, 상기 지지 수단은 단지 L개의 레그(legs)를 포함하고, L이 짝수이면 L=2N/K 이며 또한, L이 홀수이면 L=N/K이고, 여기서 K는 정수이며, L>2 이고 N은 캐리어 모드 계수인 것을 특징으로 하는 2축 자이로스코프 속도 센서(two axis gyroscope rate sensor)가 제공된다.
상기 공식에 따라 L의 값을 선택함으로써, 원하는 큰 고정 진동수 분할이 CosNθ 캐리어 모드와 그 상보성 sinNθ 모드 사이에 제공될 수 있으며 따라서 그 방향을 링 구조체에 고정할 수 있다. 이것은 진동수가 조화되도록 sin(N±1)θ/cos(N±1)θ 응답 모드 쌍의 동적 대칭을 유지하는 동안 달성될 수 있다. 또한 상기 지지 레그 구조체의 개수가 감소될 수 있다.
바람직하게는, L<4×N이며, 이것은 제조공정을 단순화한다.
상기 지지 빔 각각은 아치형부의 대향 단부로부터 뻗어 있는 제1 및 제2 직선부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 지지 빔은 실질적으로 등각으로 이격되어 있다.
바람직하게는, 상기 지지 빔은 돌출 보스(projecting boss)를 구비하는 베이스(base)를 포함하며, 상기 실질적으로 링 또는 후프형 구조체의 내주는 상기 링 또는 후프형 구조체로부터 상기 돌출 보스로 연장되는 지지 빔에 의하여 상기 보스에 연결되어, 상기 링 또는 후프형 구조체가 상기 베이스로부터 이격되도록 한다.
일 실시예에서, 상기 지지 빔의 전체 강성(stiffness)은 상기 링 또는 후프형 구조체의 강성보다 작다.
상기 정의된 공식은 레그 운동의 효과를 포함하여, 링 또는 후프형 구조체의 동력학의 상세한 분석의 결과로서 얻어진다. 본 발명은 (링의 평면에)증가된 레그 치수를 사용하지만 (링에 대하여)보다 큰 레그 컴플라이언스를 가능케하는 증가된 설계 자유도를 제공할 수 있다. 상기 설계는 치수 허용오차 영향에 대해 감소된 감도를 나타내고 더욱 경제적인 제조를 가능하게 한다.
본 발명의 더욱 상세한 이해를 위하여, 본 발명이 효과적으로 실행될 수 있는 방법이 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명된다.
도 2는 2축에 작용되는 속도를 감지하는 센서의 평면을 도시한다. 상기 센서는 예시로만 설명되고, 다른 장치가 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
진동형 구조체(5)는 전술한 바와 같이, 외측 림(outer rim)(7), 레그(legs)(9) 및 중앙 보스(central boss)(20)를 가지는 실질적으로 평면의 링 형상을 구비한다. 상기 구조체(5)는 보스(20)를 통하여 절연 산화 표면층을 갖고 유리 또는 실리콘으로 이루어질 수 있는 절연 기판층(insulating substrate layer)(10) 상에 위치된다. 상기 구조체(5)는 구동(drive) 및 픽오프(pick-off) 부재로서 작용하는 모든 도체(conductors)에 대하여 고정 전압으로 유지된다.
도 2에서 Cos2θ 캐리어 모드에서 실리콘 진동형 구조체(5)를 진동시키는 수단은 상기 진동형 구조체(5)의 외측 림(7)에 대하여 각각 0° 및 180°에 구동 부재(22)와, 그리고 90° 및 270°에 픽오프 부재(23)를 갖고 배치되고, Cos2θ 모드에서 진동할 때 상기 외측 림(7)의 최대 반경방향 운동 지점에 인접한 외측 림(7)의 반경방향 외측으로 위치되는 2개의 정전형 캐리어 구동 부재(electrostatic carrier drive elements)(22) 및 2개의 정전형 캐리어 모드 픽오프 부재(23)를 포함한다. 상기 캐리어 모드 구동 부재(22)는 진동형 구조체(5)를 진동시키는데 사용된다. 캐리어 모드 반절점(anti-nodal points)에 위치되는 상기 캐리어 모드 픽오프 부재(23)는 상기 진동형 구조체(5)의 반경방향 운동을 감지한다.
상기 구동 부재는 전자식, 정전식, 압전기식, 열 또는 광학식으로 작동될 수 있고 상기 진동형 구조체(5)는 정전식, 전자식, 압전기식 또는 광학식 방법을 사용하여 감지될 수 있다.
요동(rocking) 모드 진동을 감지하는 수단은 x축 정전형 구동 부재(24), y축 구동 부재(26)와 함께 x축 정전형 구동 부재(24)와 수직으로 이격되어 있고 상기 y축 구동 부재(26)와 중첩 관계로 상기 외측 림(7)에 인접하여 위치되는 y축 정전형 픽오프 부재(27)를 포함하고, 상기 y축 픽오프 부재(27) 및 상기 x축 구동 부재(24)는 상기 외측 림(7) 둘레에 각각 0°,90°,180° 및 270°에 배치된다.
x축 속도 응답 모드의 요동 운동은 상기 림 아래에 지지 기판의 표면 상에 위치되는 픽오프 부재(25)에서 감지된다. 상기 요동 운동은 상기 림(7)의 반대측 아래에 유사하게 위치되는 x축 구동 부재(24)를 사용하여 상쇄된다. y축 속도 응답 운동은 픽오프 부재(27)에 의하여 유사하게 감지되고 상기 구동 부재(26)에 의하여 상쇄된다. 다수의 구동 및 픽오프 전도성 사이트(conductive sites)가 기판층 표면(21) 위에 위치되는 트래킹(tracking)(28)을 통하여, 접합 패드(29)에 연결된다. 또한 구동 및 픽오프 회로가 이들 접합 패드에 연결된다. 도 2의 센서의 단면이 도 3에 도시된다. 이것은 평면 및 표면 도체의 형상을 더욱 명확하게 도시한다.
레그 운동의 영향을 포함하는 링의 동력학의 상세한 분석은 원하는 모드 쌍에 조화되는 진동수를 유지하는데 요구되는 실질적으로 등간격으로 이격된 지지 레그의 개수의 항으로 이용할 수 있는 선택의 범위를 지정하는 단순한 공식을 전개할 수 있게 한다.
상기 분석은 레그의 개수에 대한 조건이 종래에 표시된 것보다 덜 제한적이라는 것을 가리킨다. 모드가 균등하게 이격된 지지 레그의 주어진 개수에 대하여 그 진동수 분할을 가지는 것을 나타내는 간단한 공식이 유도된다. 이 공식은 평면 내부 및 평면 외부 모드에 적용할 수 있으며 L>2에 대하여 유효하다. 또한 L≤2이면 모든 모드가 레그의 짝수 개수L에 대하여 분할되고, 계수N의 모드에 대한 진동수 분할은 다음 조건이 만족될 때만 발생된다:
N = LK/2
여기서, K는 정수이다. 최대 진동수 분할은 K=1일 때 발생하고 K가 증가되면 감소된다. 또한 레그의 개수L이 홀수이면 진동수 분할은
N = LK
에서만 발생된다.
최대 분할은 또한 K=1일 때 발생하고 K의 값이 증가되면 감소된다.
이들 공식의 실제 의미는 임의의 평면 내부 또는 평면 외부 SinNθ/CosNθ 모드 쌍에 대하여 조화되는 진동수를 유지하는 기준이 종래에 실현된 것보다 상당히 덜 제한적이라는 것이다. 또한 이들 공식은 Sin(N±1)θ/Cos(N±1)θ 응답 모드 쌍에 조화되는 진동수를 유지하는 한편 CosNθ 캐리어 모드의 요구 진동수 분할 및 그 상보성(complementary) SinNθ 모드를 달성하는 지지 레그 구조체의 장치를 고안할 수 있게 한다.
평면 내부 또는 평면 외부 캐리어 모드에 Cos2θ를 이용하는 장치 설계를 위하여, 요구되는 모드 분할은 도 4에 도시된 바와 같이 90°간격의 4개의 지지 레그를 사용하여 달성될 수 있다. 상기 공식은 4개의 지지 레그의 사용이 Sinθ/Cosθ(N-1=1) 모드 쌍 또는 Sin3θ/Cos3θ(N+1=3) 모드 쌍의 진동수를 분할하지 않는다는 것을 확인한다. 2축 속도 센서는 응답 모드로서 이들 모드 쌍 중 어느 하나를 사용하여 구성될 수 있다. 평면 내부 캐리어 모드를 사용할 때, 레그를 링에 부착하는 지점은 하나의 모드의 방사상 반절점과 일진석으로 일치하고 상보성 모드의 방사상 절점(node)과 일치한다. 공진기 구조체에 대한 평면 Sin2θ/Cos2θ 모드의 결과적으로 발생되는 정렬(alignment)은 도 5a 및 도 5b에 도시되고, 여기서 0°각도는 도 4에서 0°기준, R에 대응한다. 평면 외부 캐리어 모드를 사용할 때, 레그의 부착점은 하나의 모드의 평면 외부 운동의 반절점 및 상보성 모드의 절점과 일치한다. 도 6a 및 도 6b는 공진기 구조체에 대하여 평면 외부 Sin2θ/Cos2θ 모드의 결과적으로 발생되는 정렬을 도시한다. 원하는 Sin(N±1)θ/Cos(N±1)θ 응답 모드 진동수와 캐리어 모드 진동수의 조화는 링의 깊이(z축 치수)를 조절함으로써 일반적으로 달성된다. 이것은 평면 외부 모드의 진동수를 변경시키지만 평면 내부 모드의 진동수를 실질적으로 일정하게 한다.
평면 내부 또는 평면 외부 캐리어 모드에 Cos3θ를 이용하는 장치 설계를 위하여, 요구되는 모드 분할은 도 7 및 도 8에 각각 도시된 바와 같이 120°간격의 3개의 지지 레그 또는 60°간격의 6개의 지지 레그를 사용하여 달성될 수 있다. 상기 공식은 3개 또는 6개의 지지 레그의 사용이 이 캐리어 모드와 조합하여 사용될 수 있는 Sin2θ/Cos2θ(N-1=2) 또는 Sin4θ/Cos4θ(N+1=4) 모드 쌍의 진동수를 분할하지 않는다는 것을 확인한다. 평면 내부 캐리어 모드를 사용할 때, 레그를 링에 부착하는 지점은 하나의 모드의 방사상 반절점과 일직선으로 정렬되고 상보성 모드의 방사상 절점과 일치한다. 공진기 구조체에 대한 평면 내부 Sin3θ/Cos3θ 모드의 결과적으로 발생되는 정렬이 도 13a 및 도 13b에 도시되며, 여기서 0°기준, R은 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 10a 및 도 10b는 공진기 구조체에 대하여 평면 외부 Sin3θ/Cos3θ 모드에 대하여 결과적으로 발생되는 정렬을 도시한다.
Cos4θ 평면 내부 또는 평면 외부 캐리어 모드를 이용하는 장치 설계를 위하여, 요구되는 모드 분할은 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 90°간격으로 4개의 지지 레그 또는 45°간격으로 8개의 지지 레그에 의하여 달성될 수 있다. 상기 공식은 4개 또는 8개의 지지 레그의 사용이 이 캐리어 모드와 조합하여 사용될 수 있는 Sin3θ/Cos3θ(N-1=3) 또는 Sin5θ/Cos5θ(N+1=5) 모드 쌍의 진동수를 분할하지 않는다는 것을 확인한다. 평면 내부 캐리어 모드를 사용할 때, 레그를 링에 부착하는 지점은 하나의 모드의 방사상 반절점과 일직선으로 정렬되고 상보성 모드의 방사상 절점과 일치한다. 공진기 구조체에 대한 평면 내부 Sin4θ/Cos4θ 모드의 결과적으로 발생되는 정렬이 도 14a 및 도 14b에 도시되며, 여기서 0°각도는 도 11 및 도 12에서 0°기준, R에 대응한다. 평면 외부 캐리어 모드를 사용할 때, 레그의 부착점은 하나의 모드의 평면 외부 운동의 반절점 및 상보성 모드의 절점과 일치한다. 도 14a 및 도 14b는 공진기 구조체에 대하여 평면 외부 Sin4θ/Cos4θ 모드에 대한 결과적으로 발생되는 정렬을 도시한다.
바람직하게 평면 외부 캐리어 모드에 대하여 구동 및 픽오프 부재는 평면 외부 운동의 반절점 바로 위쪽 및/또는 아래쪽에 위치된다. 바람직하게 평면 내부 캐리어 모드에 대하여 구동 및 픽오프 부재는 상기 링의 평면에서 방사상 반절점에 인접하여 위치된다. 따라서 상기 구동 및 픽오프 부재에 대한 최적의 정렬은 임의의 트리밍(trimming) 및 모드 위치의 조절을 행하지 않고 달성된다. 단일 축 장치에 대해, 제조 공정에서 허용오차 영향이 Cosnθ 모드 진동수에서 작은 불균형에 이를 수 있다는 것이 알려져 있다. 이것들은 평면 내부 SinNθ/CosNθ 모드와 함께 사용되기에 적합한 트리밍 공정을 설명하는 영국 특허 GB-A-2292609에 설명된 바와 같이 기계적인 트리밍 방법을 사용하여 수정될 수 있다. 상기 방법은 2축 장치에 대한 응답 모드에 적용될 필요가 있다. 여기서 설명되는 구조체에 대하여 캐리어 모드와 그 상보성 모드 사이에 큰 불균형 때문에, 모드 정렬은 상기 트리밍 방법에 영향을 받지 않는다.
도 4, 도 7, 도 8, 도 11 및 도 12에 도시된 공진기 구조는 2축 속도 센서에 사용되기에 적합한 구조를 제공한다. 이들 구조는 그 위치가 그 상보성 모드와 진동수로 분리되는 공진기 구조체에 대하여 고정되는 캐리어 모드를 제공한다. 일반적으로 이것은 종래기술 보다 감소되는 지지 레그 구조체의 개수를 사용하여 달성된다. 이것은 조합 레그 강성(stiffness)과 링 강성 사이의 비율이 (링의 평면에서)증가된 레그 치수를 사용하여 요구되는 값으로 유지될 수 있도록 하는 증가된 설계 적응성을 제공한다. 상기 설계는 치수 허용오차 영향에 감소된 감도를 나타내고, 특히 금속으로부터 기계가공되는 구조체에 대하여, 더욱 경제적인 제조를 가능하게 한다.
모든 공진기 구조에서 상기 지지 레그의 조합 강성은 상기 링의 강성보다 작도록 요구된다. 이것은 모드 진동이 링 구조체에 의하여 조절되고, 상기 공진기가 성능에 악영향을 미치고, 구조체의 허브(20)를 통하여 커플링시키는 열 유도 응력에 영향을 미치지 않도록 돕는 것을 보장한다. 더 작은 개수의 지지 레그를 사용하면, 요구되는 레그 대 링 컴플라이언스 비율(compliance ratio)이 증가되는 폭의 더 긴 지지 레그 구조체를 사용함으로써 유지될 수 있다.
본 발명은 2축에 대한 작용 속도를 감지하는 속도 센서에 이용될 수 있다.
Claims (7)
- 2축 자이로스코프 속도 센서(two axis gyroscope rate sensor)로서,공통 축 둘레에 뻗어 있는 내주 및 외주를 갖는 실질적으로 링(ring) 또는 후프(hoop)형 구조체를 구비하는 실질적으로 평면의 진동형 공진기(planar vibratory resonator),상기 공진기를 Cosnθ 진동 모드에서 진동시키는 캐리어 모드 구동 수단(carrier mode drive means),상기 캐리어 모드 구동 수단에 응답하여 상기 공진기의 운동을 감지하는 캐리어 모드 픽오프 수단(carrier mode pick-off means),X축에 대한 회전에 응답하여 공진기 운동을 감지하는 X축 응답 모드 픽오프 수단,상기 운동을 상쇄시키는 X축 응답 모드 구동 수단,y축에 대한 회전에 응답하여 공진기의 운동을 감지하는 y축 응답 모드 픽오프 수단,상기 운동을 상쇄시키는 y축 응답 모드 구동 수단, 및상기 공진기를 유연하게 지지하는 지지 수단을 포함하고,상기 지지 수단은 상기 구동 수단 및 인가된 회전에 응답하여 상기 지지 수단에 대하여 상기 공진기의 진동을 가능하게 하며,상기 지지 수단은 단지 L개의 레그(legs)를 포함하고,L이 짝수이면 L=2N/K 이며, L이 홀수이면 L=N/K이고,여기서 K는 정수이며, L>2 이고 N은 캐리어 모드 계수인 것을 특징으로 하는속도 센서.
- 제1항에 있어서,상기 레그의 개수가 L<4×N 인 것을 특징으로 하는 속도 센서.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,지지 빔 각각은 아치형부(arcuate portion)의 대향 단부로부터 뻗어 있는 제1 및 제2 직선부를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도 센서.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지 빔은 실질적으로 등각으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 속도 센서.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지 빔은 돌출 보스(projecting boss)를 구비하는 베이스(base)를 포함하며,상기 실질적으로 링 또는 후프형 구조체의 내주는 상기 링 또는 후프형 구조체로부터 상기 돌출 보스로 연장되는 지지 빔에 의하여 상기 보스에 연결되어, 상기 링 또는 후프형 구조체가 상기 베이스로부터 이격되도록 하는 것을 특징으로 하는 속도 센서.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지 빔의 전체 강성(stiffness)은 상기 링 또는 후프형 구조체의 강성보다 작은 것을 특징으로 하는 속도 센서.
- 실질적으로 첨부 도면의 도 2, 도 3, 도 4, 도 7, 도 8, 도 11 및 도 12 중 어느 하나의 도면에서 실질적으로 도시 및/또는 상기 도면을 참고하여 발명의 상세한 설명에서 실질적으로 설명된 속도 센서.
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