KR20190015992A

KR20190015992A - 각속도 센서들

Info

Publication number: KR20190015992A
Application number: KR1020180073736A
Authority: KR
Inventors: 제이슨 백스터
Original assignee: 애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2019-02-15
Also published as: US10816339B2; JP6997043B2; US20190041212A1; GB2565298B; GB2565298A; JP2019032302A; EP3441719B1; EP3441719A1; GB201712670D0; KR102483095B1

Abstract

진동 구조 각속도 센서를 환형 공진기 (100)는 X-Y 평면에 놓인 평면 환형 부재 (202) 및 X-Y 평면에 가요적으로 환형 부재 (202)를 지지하도록 배열된 하나 이상의 지지 구조들 (204)을 포함한다. 하나 이상의 지지 구조들(204) 각각은 X-Y 평면에 환형 부재(202)로부터 방사상으로 연장되고 제 1 두께를 갖는 방사상 부분(206), X-Y 평면에 방사상 부분(206)으로부터 원주방향으로 연장되고 제 2 두께를 갖는 원주 부분(208)을 포함하고, 제 1 두께는 제 2 두께보다 더 크다.

Description

각속도 센서들 {ANGULAR RATE SENSORS}

본 발명은 각속도 센서들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진동 구조 예컨대 환형 공진기를 포함하는 코리올리-유형 각속도 센서들, 및 진동 구조 각속도 센서들을 위한 환형 공진기들에 관한 것이다.

많은 최신 애플리케이션들을 위해, 코리올리-유형 각속도 센서들 (또한 자이로스코프들로서 알려진)은 유리 기판 층들 사이에 샌드위치된 실리콘 웨이퍼로부터 마이크로-전기-기계 시스템들 (MEMS) 기술들을 이용하여 구성된다. 전형적으로 링 구조를 포함하는 평면 환형 공진기는, 실리콘 층에 형성되고 유연(compliant) 지지 구조들에 의해 하단 유리 기판상에 지지된다. 환형 공진기는 일차(primary) 진동 모드 (평면내)를 여기시키는 일차 드라이브 트랜스듀서들에 의해 공진에서의 cos 2θ 진동 모드로 구동된다. 센서가 환형 공진기의 평면에 수직인 축에 대하여 회전할 때, 에너지가 이차 진동 모드 (평면내)에 결합하는 코리올리 힘들이 생성된다. 이런 환형 공진기의 코리올리-유도 모션(Coriolis-induced motion)은 전형적으로, 보조 픽-오프(pick-off) 트랜스듀서들을 이용하여 유도성으로 또는 용량성으로 센싱된다. 링 및 그것의 지지 구조들은 실리콘 층의 에칭에 의해 제조된 동일 평면내에 있다. 두개의 축퇴(degenerate) 공진 모드들을 같은 주파수들로 이용함으로써, 환형 공진기는 평면 밖으로 변위 될 수 있는 진동기(vibrator)에 대하여 단일 공진 모드를 사용하는 움직이는 질량 아키텍처들에 비하여 더 높은 회전 감도를 가진다. US 6,471,883은 실리콘으로 제조된 평면 링 진동 구조를 포함하는 이런 각속도 센서의 예를 제공한다.

진동 구조 각속도 센서에서, 유연 또는 가요성 지지 구조들 (흔히 "레그들(legs)"로 알려진)은 구조의 나머지 부분으로부터 링의 진동을 격리시키도록 디자인된다. 지지체 레그들이 더 얇을 수록 링을 센싱 목적 즉, 더 높은 성능 (더 높은 Q 인자)을 위해 더 격리시킨다. 그러나, 고성능 구조는 레그들을 두껍게 하지 않고 큰 쇼크(shock)들 하에서 견뎌 낼 수 없다.

센서를 보다 더 강건하게 하기 위해 레그들이 두껍게 된 때, 전체 센서 성능이 저하된다 (Q 인자 축소된다). Q는 링의 열 탄성 댐핑(thermo elastic damping)에 의해 주로 설정된다. 보다 두꺼운 레그들은 Q 인자보다 오히려 직교 바이어스(quadrature bias)를 증가시키는 경향이 있다. 더 높은 직교성은 성능을 저하시키는 경향이 있다. 다른 이슈는 원치않는 자연(natural) 공진 모드들이다. 예를 들어, 전단(shear) 쇼크는 병진 모드(translational mode)를 여기 시킬 수 있다. 레그들을 두껍게 그리고 경직시킴으로써, 병진 모드에 움직임은 제한되지만 그러나 원치않는 공진 모드들이 cos 2θ 모드에 주파수에 매우 가까워질 수 있고, 이는 바람직하지 않은 동적 움직임들(dynamics)로 이어질 수 있다.

디자인 성능에서의 타협없이 강건한 진동 구조 각속도 센서에 대한 요구가 있다.

본 발명은 진동 구조 각속도 센서들에 개선점들을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 진동 구조 각속도 센서를 위한 환형 공진기를 제공하고, 상기 환형 공진기는 :

X-Y 평면에 있는 평면 환형 부재; 및

상기 X-Y 평면에 상기 환형 부재를 가요적으로 지지하도록 배열된 하나 이상의 지지 구조들;

상기 하나 이상의 지지 구조들 각각은 상기 X-Y 평면에 상기 환형 부재로부터 방사상으로 연장되고 제 1 두께를 갖는 방사상 부분(radial portion), 상기 X-Y 평면에 상기 방사상 부분으로부터 원주방향으로 연장되고 제 2 두께를 갖는 원주 부분을 포함하고, 상기 제 1 두께는 상기 제 2 두께보다 더 크다.

따라서 본 개시에 따른, 상기 지지 구조들 (즉, 레그들)은 상기 X-Y 평면에 상이한 두께들을 갖는 적어도 두개의 실질적으로 직교하는 부분들로 분열된다는 것이 당해 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 인식될 것이다. 더욱이, 상기 방사상 부분들은 상기 원주 부분들보다 더 두껍다. 이것은 예를 들어, 전단 쇼크가 병진 모드를 여기시킬때 야기되는 피크 레그 응력을 낮추고 그리고 센싱을 위해 사용되는 Cos 2θ 모드의 Q인자 또는 공진 주파수에 영향을 미치지 않고서 원치않는 공진 모드들의 주파수를 증가시킨다.

일부 예들에서 상기 지지 구조들은 상기 방사상 부분은 상기 환형 부재로부터 방사상으로 연장되고 상기 원주 부분은 상기 방사상 부분으로부터 원주방향으로 연장되는 실질적으로 L-형상일 수 있다. 그러나 즉, for 전기적 트랙킹이 런 아웃(run out) 하는 것을 허용하기 위해 상기 환형 부재로부터 추가로 방사상으로 연장되는 지지 구조들이 바람직할 수 있다. 따라서 일부 예들에서, 상기 하나 이상의 지지 구조들 각각은 상기 원주 부분으로부터 방사상으로 연장되는 추가 방사상 부분을 포함한다. 상기 지지 구조들은 실질적으로 Z-형상일 수 있다. 이런 예들에서, 바람직하게는 상기 추가 방사상 부분은 상기 방사상 부분과 동일한 방향에서 방사상으로 연장된다. 상기 지지 구조들은 따라서 추가로 상기 원주 부분들을 갖는 상기 환형 부재 둘레에 바퀴살처럼 배열될 수 있다. 추가하여, 또는 대안적으로, 상기 지지 구조들은 상기 환형 부재로부터 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 방사상으로 연장될 수 있다. 바람직하게는 단일로 또는 세트로 예를 들어, 쌍들로, 배열된 상기 지지 구조들은 상기 환형 부재 둘레에 등각으로(equiangularly) 이격된다.

상기 하나 이상의 지지 구조들은 상기 환형 부재의 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 방사상으로 위치된 고정 지지체에 연결될 수 있다. 일부 예들에서 상기 지지 구조들은 상기 고정 지지체와 일체로 형성된다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 상기 지지 구조들은 상기 환형 부재와 일체로 형성된다. 상기 고정 지지체, 환형 부재 및 지지 구조들은 바람직하게는 동일한 재료로 만들어지고, 추가로 바람직하게는 그것들은 관련 기술 분야에서 알려진 기술들 예를 들어, DRIE(deep reactive ion etching)을 이용하여 단일 실리콘 웨이퍼로 구성된다.

임의의 이들 예들에서, 전기적 전도성 (예를 들어, 금속성) 트랙킹(tracking)이 상기 하나 이상의 지지 구조들을 따라서, 예를 들어, 상기 환형 부재와 상기 고정 지지체 사이에서 이어질 수 있다. 상기 각속도 센서는 정전용량성 유형, 유도성 유형 또는 압전 유형 센서일 수 있다. 상기 유도성 유형은 보통 상기 중심 자석을, 즉, 상기 환형 부재로부터 바깥쪽으로 방사상으로 연장되는 지지 구조들을 허용하는 외부에 마운트된 지지 레그들을 갖는다. 상기 정전 용량성 및 압전 유형은 안쪽에 마운트된 지지 레그들, 즉, 상기 환형 부재로부터 안쪽으로 방사상으로 연장되는 지지 구조들을 갖는다.

예제들의 일 셋에서, 상기 환형 공진기는 상기 환형 부재의 둘레에 쌍들로 배열된 짝수 지지 구조들 바람직하게는 여덟개의 지지 구조들을 포함할 수 있다. 상기 지지 구조들의 쌍들은 예를 들어, 내용이 참조로서 본 출원에 통합되는 WO 2010/007406에 개시된 방식으로 환형 부재의 둘레에 등각으로 이격될 수 있다. 바람직하게는 각각의 쌍의 지지 구조들은 시계 지지 구조 및 반시계 지지 구조를 포함한다. 상기 하나 이상의 지지 구조들을 따라서 이어지는 전기적 전도성 트랙킹을 포함하는 유도성 유형 센서 예들에서, 대칭의 시계-반시계 쌍들의 지지 구조들은 상기 자기장에 트랙킹을 따라서 흐르는 전류 때문에 환형 공진기의 비틀림(twisting)을 방지한다. 상기 환형 공진기가 홀수의 지지 구조들을 포함하는 다른 예들에서, 상기 지지 구조들은 물론 또한 상기 환형 부재의 둘레에 등각으로 이격될 수 있다.

상기 제 2 두께 보다 더 큰 상기 제 1 두께를 선택함으로써, 상기 모달 스펙트럼(modal spectrum)은 상기 병진 모드에 대하여 더 높은 주파수를 제공하기 위해 최적화될 수 있고, 이는 상기 cos 2θ 모드 주파수에 영향을 미치지 않고서 강건성에 도움을 준다. 하나 이상의 예들에서 상기 제 1 두께는 상기 제 2 두께 보다 적어도 20%, 30%, 40% 또는 50% 더 크다. 하나 이상의 예들에서, 상기 제 1 두께는 상기 제 2 두께보다 20% 내지 80% 더 크다. 예를 들어, 상기 제 2 두께는 약 22 ㎛ 일 수 있고, 상기 제 1 두께는 적어도 26 ㎛, 예를 들어, 26-28 ㎛ 일 수 있다. 일부 예들에서, 상기 제 2 두께는 25-30 ㎛의 범위에 있을 수 있고 상기 제 1 두께는 35-40 ㎛의 범위에 있을 수 있다. 일부 예들에서, 상기 제 2 두께는 10 ㎛ 만큼 작을 수 있다. 상기 방사상 부분들을 두껍게 하는 것은 (즉, 상기 제 1 두께를 증가시키는 것) 상기 cos 2θ 모드 주파수에 영향을 미치지 않고서 일부 모드 주파수들을 증가시키고, 또한 쇼크하에서 응력을 줄인다. 상기 원주 부분들을 두껍게 하는 것 (즉, 상기 제 2 두께를 증가시키는 것)은 쇼크하에서 상기 응력을 줄이면서 상기 cos 2θ 모드 주파수 및 다른 모드 주파수들을 증가시킨다. 상기 제 1 두께와 제 2 두께 간의 차이를 조정함으로써, 쇼크하에서 응력을 줄이는 것을 가능하게 하고, 센서를 더 강건하게 만들고, 동시에 희망하는 공진 주파수 (예를 들어, 14 kHz) 및 상기 cos 2θ 모드 주파수에 대하여 높은 Q 인자를 유지하면서 원치않는 모드들을 상기 cos 2θ 모드 주파수로부터 주파수에서 멀리 떨어지게 한다.

상기 제 1 및 제 2 두께들을 서로에 관하여 조절하는 것에 추가하여, 예를 들어, 상기 cos 2θ 모드의 공진 주파수를 조절하기 위해 상기 환형 부재의 두께가 또한 조절될 수 있다.

적어도 일부 예들에서, 상기 지지 구조들에서 응력은 상기 방사상 및/또는 원주 부분들의 형상을 조정함으로써 축소될 수 있다. 상기 출원인은 최대 응력 영역은 지지 구조와 상기 환형 부재 사이의 연결 부분에서 및/또는, 고정 지지체를 포함하는 예들에서는, 지지 구조와 상기 고정 지지체 사이에 연결 부분에서 경험될 수 있다는 것을 인지하였다. 최대 응력 영역은 또한 상기 지지 구조의 방사상 부분과 원주 부분 사이의 연결 부분에서 경험될 수 있다. 전자를 완화하기 위해서 지지 구조들의 방사상 부분들은 연결 부분에 의해 예컨대 필릿에 의해 상기 환형 부재에 및/또는 상기 고정 지지체에 연결될 수 있고, 상기 지지 구조는 상기 연결 부분에서 더 큰 폭으로부터 상기 연결 부분으로부터 먼 쪽에 더 작은 폭으로 테이퍼링된다. 후자를 완화시키기 위해, 상기 방사상 부분들과 상기 원주 부분들 사이, 및 옵션으로 상기 원주 부분들과 상기 추가 방사상 부분들 사이의 하나 이상의 연결 부분들은, 상기 연결 부분에서 더 큰 폭으로부터 상기 연결 부분으로부터 먼 쪽에 더 작은 폭으로 테이퍼링되는 지지 구조를 포함할 수 있다. 임의의 이들 예들에서, 상기 연결 부분은 타원형 필릿을 포함할 수 있다. 비록 다른 형상들의 필릿이, 예를 들어 커브진, 삼각형의 또는 나팔 모양이 가능하지만 타원형 필릿은 양호한 응력 감소를 제공하는 것이 알려져 있다. FE 분석이 상기 연결 부분의 가변 폭을 최적화하고 응력 집중을 줄이는데 사용될 수 있다. 환형 공진기는 적어도 하나의 범프 스탑, 예를 들어 상기 환형 부재의 바깥쪽으로 방사상으로 배열된 범프 스탑(bump stop)을 더 포함할 수 있다. 범프 스탑들은 상기 진동 구조 각속도 센서에서 환형 부재의 평면내 움직임을 제한하고 최대 응력 한계를 제공하는데 도움을 주는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 상기에서 설명된 임의의 예들에 따른 환형 공진기를 포함하는 진동 구조 각속도 센서로 확장된다. 상기 센서는 정전용량성 유형 각속도 센서, 유도성 유형 각속도 센서 또는 압전 유형 센서일 수 있다. 진동 구조 각속도 센서들에 잘 알려진대로, 상기 환형 공진기는 사용중에 상기 Cos 2θ 모드에서 공진하도록 배열될 수 있다.

고정 지지체를 포함하는 예들에서, 이것은 8각형 형상일 수 있고, 이의 예는 EP 2799814에 보다 상세하게 설명된다 (이의 내용들은 참조로서 본 출원에 통합된다).

적절한 곳에 어딘가에 본 출원에서 설명된 임의의 특징부들은 본 출원에서 설명된 임의의 다른 예에 적용될 수 있다. 도면번호가 상이한 예들 또는 예들이 셋들에 제공되는 경우에, 이들은 반드시 구별될 필요는 없지만 그러나 중복될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
첨부한 도면들을 참고로 하여 본 발명의 일부 예들이 이제 설명될 것이다 :
도 1 은 유도성 유형 진동 구조 각속도 센서의 개략적인 단면도이다;
도 2는 본 발명의 예에 따른 환형 공진기의 평면도이다;
도면들 3a 및 3b는 환형 공진기내 일차 (3a) 및 이차 (3b) Cos 2θ 진동 모드들을 개략적으로 도시한다;
도 4 는 본 발명의 예에 따른 환형 공진기내 환형 부재와 그것의 지지 구조들 사이의 연결들 중 일부를 도시한다 ; 및
도면들 5a 및 5b는 본 발명의 예에 따라 모델링된 진동 구조 각속도 센서의 성능을 보여준다.

도 1 은 지지체 유리 층 (104)을 포함하는 컴포넌트들의 스택을 놓는 베이스 (102), 하단 극(pole) (106), 자석 (108) 및 상단 극 (110)을 포함하는, 일 예에 따른 유도성 유형 진동 구조 각속도 센서의 개략적인 단면도이다. 받침대 (112)가 지지체 유리 층 (104) 위에, 하단 극 (106) 주변에 놓이고, 환형 공진기 (100)을 포함하는 실리콘 다이 (114)를 지지한다. 환형 공진기 (100)는 실리콘 다이 (114)에 형성된 복수의 지지 구조들 (또는 "레그들") (204)에 의해 가요적으로 지지되는 평면 환형 부재 (또는 "링") (202)을 포함한다. 환형 공진기 (100)는 상단 극 (110)과 하단 극 (106) 사이에 있도록 배열되고 이하에서 더 상세하게 설명될 것처럼, 사용 동안에 진동하도록 배열되어 각속도 센서의 회전 속도(rate of rotation)의 결정이 이루어질 수 있다.

자석 (108)은 환형 공진기 (100)의 영역내에 수직 자기장을 생성하고, 발진 전류(oscillating current)가 환형 공진기 (100)에 있는 금속 트랙들을 따라서 접선 방향으로(tangentially) 인가되고, 그것을 일차 Cos 2θ 모드에서 방사상으로 발진시킨다. WO 2010/007406, 이의 내용은 참조로서 본 출원에 통합되되, 어떻게 금속 트랙들이 전형적으로 링 부재 (202)의 상단 표면상에 절연 표면 옥사이드 층 위에 그리고 그것의 지지 레그들 (204)을 따라서 제공되는지에 대한 세부사항들이 추가로 제공되고, 각각의 금속 트랙은 단일 드라이브 또는 픽-오프 트랜스듀서와 연관된다. 도 1 은 유도성 유형 진동 구조 각속도 센서를 예시하지만, 정전용량성 버전이 가능하고 여기에는 자석 어셈블리가 없고 대신 방사상 정전용량성 전극들이 제공된다. 이런 정전용량성 유형 진동 구조 각속도 센서의 예가 US 6,282,958에 설명되고, 이의 내용은 참조로서 본 출원에 통합된다.

도 2 는 각속도 센서의 환형 공진기 (100)의 보다 상세한 도면을 보여준다. 환형 공진기 (100)는 외경 및 평면내 두께 예를 들어 120 마이크론을 갖는 평면 환형 부재 (202)를 포함한다. 환형 부재 (202)는 예를 들어, 도 1에 보여지는 실리콘 다이 (114)에 의해 정의된 X-Y 평면에 놓여진다. 환형 공진기 (100)는 복수의 지지 구조들 (또는 "레그들") (204)를 더 포함하되, 이는 환형 부재 (202)의 외경 둘레에 그리고 외경에 연결되고 환형 부재 (202)에 의해 정의된 X-Y 평면에 놓여진다. 지지 구조들 (204)은 실리콘 다이의 나머지 부분에 대하여 환형 부재 (202)를 가요적으로 지지하고, 이는 고정 지지체 (201)를 형성한다. 이 예에서 고정 지지체 (201)는 팔각형의 형태를 취하는 것을 알 수 있다.

각각의 지지 구조 (204)는 안쪽 방사상 부분 (206), 원주 부분 (208) 및 바깥쪽 방사상 부분 (210)을 포함한다. 안쪽 방사상 부분 (206)은 환형 부재 (202)의 외경상에 연결 부분 (212)으로부터 방사상으로 바깥쪽으로 연장된다. 안쪽 방사상 부분 (206)의 최외측 단부는 원주 부분 (208)의 제 1 단부를 정의한다. 원주 부분 (208)은 바깥쪽 방사상 부분 (210)의 안쪽 단부를 정의하는 제 2 단부까지 원주방향으로 (즉, 외경으로부터 실질적으로 일정한 거리를 유지하면서) 연장된다. 바깥쪽 방사상 부분 (210)은 그것의 안쪽 단부로부터 바깥쪽 단부로 방사상으로 바깥쪽으로 연장된다. 유도성 유형 센서를 위한 환형 공진기를 위한 이 예에서, 지지 구조들 (204)은 환형 부재 (204)로부터 고정 지지체 (201)로 방사상으로 바깥쪽으로 연장된다. 그러나, 다른 예들에서, 하나 이상의 지지 구조들 (204)은 예를 들어 정전용량성 유형 센서에서 환형 부재 (204), 예를 들어, 중심 보스(central boss) 내부에 위치된 고정 지지체로 방사상으로 안쪽으로 대신하여, 또는 추가적으로, 연장될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

이 예에서, 복수의 지지 구조들 (204) 중 절반은 원주 부분 (208)이 제 1 단부로부터 제 2 단부로 시계 방향으로 연장된다는 점에서 "시계 방향" 구조들이다. 복수의 지지 구조들 (204) 중 절반은 원주 부분 (208)이 제 1 단부로부터 제 2 단부로 반시계 방향으로 연장된다는 점에서 "반시계 방향" 구조들이다. 복수의 지지 구조들 (204)은 쌍들로 배열되어 시계 및 반시계-유형 지지 구조들 (204)이 환형 부재 (202)를 둘레에 교번된다(alternate). 환형 공진기 (100)는 총 열 여섯개 지지 구조들 (204) (즉, 여덟개의 시계-반시계 쌍들)을 포함한다. 이들 여덟 쌍들은 유도성 유형 센서에서 자기장에 트랙킹(tracking)을 따라서 전류 흐름에 기인하는 환형 공진기의 비틀림(twisting)을 방지한다. 물론 임의의 적절한 수의 지지 구조들 (204)이 환형 부재 (202)의 주변부 둘레에 배열될 수 있고, 그것의 둘레에 고르게 또는 고르지 않게 이격될 수 있다.

각각의 지지 구조 (204)의 안쪽 및 바깥쪽 방사상 부분들 (206,210)은 원주 부분들 (208)의 두께보다 더 큰 두께를 가지도록 제조된다. 예를 들어, 안쪽 및 바깥쪽 방사상 부분들 (206, 10)은 25-40 마이크론의 두께를 가질 수 있고 한편 원주 부분들 (208)은 약 20 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 두께는 예를 들어, 도 1에 보여지는 실리콘 다이 (114)에 의해 정의된 환형 부재 (202)의 X-Y 평면에서 측정된다. 이들 두께들은 환형 부재 (202)의 제조동안에 에칭 기술들에 의해 및/또는 예를 들어, 반응성 이온 에칭 (DRIE(deep reactive ion etching)를 이용하여 후-제조 기술들에 의해 정의될 수 있다. 안쪽 및 바깥쪽 방사상 부분들 (206,210)의 더 큰 두께는 환형 공진기 (100)에 사용동안에 접할 수 있는 병진 쇼크에 더 큰 탄력성을 제공한다. 그러나, 아래에서 알게 될 것 처럼, 지지 구조들 (204)의 두께 및 형상에서의 모든 변형들은 어떤 공진 모드들에서 환형 공진기 (100)의 공진 주파수에 영향을 주는 것을 피하도록 세심하게 디자인되어야 한다.

각각의 지지 구조 (204)와 환형 부재 (202)의 연결부분 (212)은 또한 환형 공진기 (100)의 응력 저항(stress resistance)를 최대화하도록 디자인된다. 예를 들어, 필릿(fillet)들이 지지 구조들이 환형 부재 (202)와 연결 부분들(212)을 형성하는 지지 구조들 (204)의 루트들에 추가될 수 있다. 지지 구조들이 고정 지지체 (201)와 연결 부분들을 형성하는 지지 구조들 (204)의 타단 또한 필릿들을 포함할 수 있다. 이들 연결 부분들 (212)의 보다 상세한 설명이 도 4를 참고로 하여 나중에 주어진다.

제조 동안에, 전도성 (예를 들어, 금속성) 재료가 환형 부재 (202) 및 지지 구조들 (204)의 표면에 선택적으로 도포되어, 몇몇의 전기적 전도성 루프들이 형성된다. 전도성 재료는 각각의 루프가 전기적으로 분리되는 것을 보장하기 위해서 대략 1 ㎛ 두께인 얇은 옥사이드 층을 써서 환형 부재 (202)의 전도성 실리콘으로부터 절연된다. 전기적 전도성 루프 (214)의 트랙킹 경로의 예가 도 2에 점선으로 예시된다. 몇몇의 이런 루프들 (214)이 환형 부재 (202) 둘레에 전체 형성되고 관련 기술 분야에서 잘 알려진 대로 사용 동안에 제어 가능한 교류 (AC) 소스 (미도시)에 연결된다.

사용시에, 환형 공진기 (100)는 도 1 에 도시된 각속도 센서내에 배치될 수 있어서, 환형 부재 (202)는 자석 (108)의 두개의 극들 (106, 110) 사이의 자기장내에 위치된다. 교류가 Cos 2θ 공진 주파수에서 직경에서 반대쪽 전도성 루프들 (214) (일차 드라이브 트랙들)에 선택적으로 인가되고, 결과로 생기는 로렌츠 힘들이 환형 부재 (202)를 변형시켜, 환형 공진기 (100)가 Cos 2θ 모드에서 공진하게 하고, 공진 주파수는 인가된 교류의 주파수 및 환형 부재 (202)의 물리적 파라미터들 예컨대 두께 및 지지 구조들 (204)의 두께들에 의해 결정된다. 공진의 정상 상태(steady state) 주 Cos 2θ 모드가 도 3a에 개략적으로 표현된다.

도 3a는 개략적으로 환형 공진기 (302)내 일차 Cos 2θ 진동 모드를 도시한다. 환형 공진기 (302)은 보통은 (여기되지 않은 때) 원형이다. 그러나, 주 Cos 2θ 모드로 여기된 때, 환형 공진기 (302)는 변형되고, 또는 보다 구체적으로, 그것은 x-축을 따라서 그것의 주축을 갖는 타원과 y-축을 따라서 놓인 그것의 주 축을 갖는 타원 사이에서 발진한다. 이 평면내(in-plane) 공진이 도 3a에 도시된다.

각속도 센서가 회전을 겪을 때, 로렌츠 힘들에 의해 야기되는 변형들의 본성(nature)이 코리올리 힘의 영향 때문에 변화하고, 변형에서의 이 변화가 측정될 수 있고 센서가 경험하고 있는 회전 속도의 표시를 제공한다. 변형에서의 변화가 도 3b에 개략적으로 표시되고, 이는 일차 모드에 45도에서 이차 진동 모드를 예시하되, 모션의 진폭은 각속도에 비례한다. 진동의 일차 및 이차 Cos 2θ 모드들에서 환형 공진기는 임의의 전단력(shear force)들을 경험하지 않는다.

"개방 루프(open loop)" 유형 시스템에서, 모션의 이 진폭이 측정되어 센서에 의해 경험되는 각속도의 표시를 제공하지만, 그러나 "폐루프(closed loop)" 유형 시스템에서 이차 드라이브가 인가되어 이차 모션을 제로로 한다(null). 이 경우에서, 이차 드라이브 진폭 측정은 이차 드라이브 진폭이 각속도에 비례하는 각속도의 표시를 제공한다.

환형 공진기 (100)에서, 지지 구조들 (204)은 구조의 나머지 부분으로부터 환형 부재 (202)의 평면내 진동들을 격리시키도록 디자인된다. 지지 구조들 (204)이 더 얇을 수록, 환형 부재 (202)는 더 격리된다. 원주 부분들 (208)의 얇음이 이 격리(isolation)를 제공한다.

지지 구조들 (204)의 수는 Cos 2θ 모드가 균형되는 것(balance)을 (즉, 일차 및 이차 모드들은 동일한 주파수를 가진다) 보장하도록 선택된다. 여덟 쌍들의 지지 구조들 (본 출원에서 설명된 것처럼)은 이 기준을 충족시키지만 그러나 예를 들어, 네 쌍들은 적절하지 않다는 것이 알려진다. 환형 공진기는 임의의 적절한 수의 지지 구조들을 포함할 수 있다. 상이한 수의 레그들을 갖는 환형 공진기들의 일부 예들은 US 6,883,374, US 6,848,305 및 US 6,978,674에서 찾아볼 수 있다.

출원인은 병진 쇼크들 동안에, - 환형 부재 (202)의 평면내 측방 편향 때문에 - 방사상의 레그 부분들 (206,210)상에 작용하는 전단력들로 환형 공진기 (100)는 또한 병진 모드로 또한 여기될 수 있다는 것을 인식하였다. 그러나, 지지 구조들 (204)의 방사상 부분들 (206,210)의 증가된 두께는 이 병진 모드에서의 환형 부재 (202)의 공진 주파수를 증가시켜서, 임의의 여기들이 축소된다. 상기에서 언급된 바와 같이, 증가된 두께를 갖는 지지 구조들 (204)의 방사상 부분들 (206,210)은 또한 응력 저항을 추가하여서, 환형 공진기 (100)는 지지 구조들 (204)(환형 부재 (202)에 및 고정 지지체 (201)에)의 연결 부분들에서 높은 응력들 때문에 고장 없이 더 큰 병진 쇼크들을 견딜 수 있다.

단지 지지 구조들 (204)의 방사상 부분들 (206,210)을 두껍게 한다는 것은 Cos 2θ 모드에서의 진동 주파수가 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다.

비록 도시되지 않았지만, 환형 공진기 (100)는 환형 부재 (202)가 임의의 방향에서 미리 결정된 양보다 더 많이 병진 모드에서 움직이는 것을 방지하는 고정 지지체 (201)상에 하나 이상의 범프 스탑(bump stop)들을 더 포함할 수 있다. 이런 범프 스탑들은 환형 부재 (202)의 외경 및/또는 원주 부분들 (208)로부터 적절하게 이격될 수 있다.

도 4는 개략적으로 도 2에 점선 원 F4로 하이라이트된 영역에 한쌍의 지지 구조들 (204)의 안쪽 방사상 부분들 (206) 및 환형 부재 (202) 사이에 연결 부분들 (212)의 평면도를 도시한다. 안쪽 방사상 부분 (206)은 메인 평면내 폭을 갖는 메인 섹션 (402), 및 환형 부재 (202)와 연결부분 (212) 쪽 바깥쪽으로 테이퍼링되는 단부 섹션(404)를 포함하여, 연결부분 (212)에서의 단부 섹션 (404)의 평면내 폭은 메인 섹션 (402)의 메인 평면내 폭보다 더 크다. 단부 섹션 (404)의 나팔 모양의 테이퍼(taper)는 타원형 필릿을 포함한다.

단부 섹션 (404)의 타원형 필릿은 지지 구조 (204)와 환형 부재 (202) 사이의 컨택 표면적을 증가시키고, 이는 환형 공진기 (100)의 동작에 영향을 미칠 수 있는 지지 구조 (204)의 중량 또는 강성도(stiffness)를 추가하지 않으면서 연결 부분 (212)의 강건성(robustness)을 증가시킨다. 지지 구조들 (204)과 고정 지지체 (201) 사이의 연결 부분들 또한 본 출원에서 설명된 타원형 필릿을 포함한다.

도 1의 예는 유도성 유형 자이로스코프 또는 각속도 센서에 관한 것이다. 그러나 환형 공진기 (100)는 정전용량성 또는 압전 자이로스코프에서 사용을 동등하게 찾을 수 있다는 것이 인식될 것이다. 환형 부재 (202)의 외경으로부터 범프 스탑들의 거리는 자이로스코프의 유형 및 전형적인 환형 부재 (202)의 움직임의 범위에 의존하여 조절될 수 있다.

예제

본 발명의 예에 따른 환형 공진기, 강건한 SGH03가 모델링되었다. 모델링된 환형 공진기는 이하의 치수를 가졌다:

22 ㎛ 열 여섯개 지지 구조들의 원주 부분들의 두께;

27㎛ 지지 구조들의 방사상 부분들의 두께; 및

120 ㎛ 환형 부재의 두께

모델링된 환형 공진기의 성능은 이하의 치수를 갖는 전형적인 종래 기술의 세개의 공진기들과 비교되었다 :

SGH01 - 50 ㎛ 지지 구조들 (레그들)의 두께 및 120 ㎛ 링의 두께;

SGH02 - 20 ㎛ 지지 구조들 (레그들)의 두께 및 120 ㎛ 링의 두께;

SGH03- 20 ㎛ 지지 구조들 (레그들)의 두께 및 120 ㎛ 링의 두께;

도 5a는 모델링된 환형 공진기의 공진 모드 주파수들을 예시한다. 이 그래프는 본 예제에 따른 공진기의 공진 모드 주파수와 함께 종래 기술의 전형적인 세개의 공진기들의 공진 모드 주파수를, Cos 2θ 모드 및 병진 모드 둘 모두에서 도시한다.

병진 모드에서 본 예제에 따른 강건한 SGH03 공진기의 공진 주파수(502)는 대략 12 kHz 인 것이 도시되고, 이는 테스트된 다른 공진기들의 병진 공진 주파수보다 더 높고, 이 모드에서 공진기의 강성도가 다른 공진기들에서보다 더 높다 (전형적으로 공진 주파수는 강성도의 제곱근에 비례한다)는 것을 나타낸다. SGH01는 유사한 (약간 더 낮은) 병진의 공진 주파수를 갖고, 강건한 것으로 알려지지만 그러나 테스트된 다른 공진기들에 비교하여 축소된 성능 (더 낮은 Q 인자)을 갖는다.

Cos 2θ 모드에 본 예제에 따른 공진기의 공진 주파수 (504)는 대략 14 kHz에서, 종래 기술의 공진기들의 공진 주파수에 같은 것이 도시된다. 이것은 지지 구조들의 차동(differential) 두께 및 개선된 연결 부분들이 Cos 2θ 모드에서 공진 주파수에 영향을 미치치 않는다는 것을 입증한다.

병진 모드 및 Cos 2θ 모드 공진 주파수들이 중첩하지 않는다는 사실은 공진기가 Cos 2θ 모드에서 진동할 때 (원치않는) 병진 모드의 의도하지 않은 여기가 최소일 것이라는 것을 의미한다.

도 5b는 공진기들이 전단 방향에서 (즉, 공진기의 평면내) 20000 지포스(g force)를 겪을 때 측정된 최대 응력 값을 예시한다.본 예제에 따른 강건한 SGH03 공진기에 의해 경험되는 응력 (506)이 종래 기술의 전형적인 공진기들에 비교하여 크게 축소된 것이 명확하다.

경험되는 응력에서의 감소는 공진기는 보다 강건하고 14 kHz의 동일한 공진 주파수에서 Cos 2θ 모드를 유지하면서 종래 기술의 전형적인 공진기들 보다 더 큰 쇼크를 견딜 수 있다는 것을 나타낸다. 더 강건하고, 고성능 (높은 Q 인자) 센서가 그렇게 함으로써 달성된다.

Claims

진동 구조 각속도 센서를 위한 환형 공진기에 있어서, 상기 환형 공진기는 :
X-Y 평면에 있는 평면 환형 부재; 및
상기 X-Y 평면에 상기 환형 부재를 가요적으로 지지하도록 배열된 하나 이상의 지지 구조들;을 포함하되,
상기 하나 이상의 지지 구조들 각각은 상기 X-Y 평면에 상기 환형 부재로부터 방사상으로 연장되고 제 1 두께를 갖는 방사상 부분(radial portion), 상기 X-Y 평면에 상기 방사상 부분(radial portion)으로부터 원주방향으로 연장되고 제 2 두께를 갖는 원주 부분을 포함하고, 상기 제 1 두께는 상기 제 2 두께보다 더 큰, 환형 공진기.
청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 지지 구조들 각각은 상기 원주 부분으로부터 방사상으로 연장되는 추가 방사상 부분을 포함하는, 환형 공진기.
청구항 2에 있어서, 상기 추가 방사상 부분은 상기 방사상 부분과 동일한 방향에서 방사상으로 연장되는, 환형 공진기.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환형 부재의 둘레 주변에 쌍들로 배열된 짝수의 지지 구조들을 포함하는, 환형 공진기.
청구항 4에 있어서, 각각의 쌍의 지지 구조들은 시계 지지 구조 및 반시계 지지 구조를 포함하는, 환형 공진기.
청구항 4 또는 5에 있어서, 여덟 쌍들의 지지 구조들을 포함하는, 환형 공진기.
청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 구조들, 또는 쌍들의 지지 구조들은 상기 환형 부재 둘레에 등각으로(equiangularly) 이격되는, 환형 공진기.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 두께는 상기 제 2 두께 보다 적어도 20%, 30%, 40% 또는 50% 더 큰, 환형 공진기.
청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방사상 부분은 연결 부분에 의해 상기 환형 부재에 연결되고, 상기 지지 구조는 상기 연결 부분에서 더 큰 폭으로부터 상기 연결 부분으로부터 먼 쪽에 더 작은 폭으로 테이퍼링되는, 환형 공진기.
청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 지지 구조들은 연결 부분에 의해 고정 지지체에 연결되고, 상기 지지 구조는 상기 연결 부분에서 더 큰 폭으로부터 상기 연결 부분으로부터 먼 쪽에 더 작은 폭으로 테이퍼링되는, 환형 공진기.
청구항 9 또는 10에 있어서, 상기 연결 부분은 타원형 필릿(fillet)을 포함하는, 환형 공진기.
청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 따른 환형 공진기를 포함하는 진동 구조 각속도 센서.
청구항 12에 있어서, 상기 센서는 정전용량성 유형 각속도 센서인, 진동 구조 각속도 센서.
청구항 12에 있어서, 상기 센서는 유도성 유형 각속도 센서인, 진동 구조 각속도 센서.
청구항 12 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 환형 공진기는 상기 Cos 2θ 모드에서 공진하도록 배열된, 진동 구조 각속도 센서.