NO823684L - Vinkelhastighetsensor. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår generelt .konstruksjoner av vinkelhastighet sensorer, og spesielt én monteringsanordning for sensor-arrangementer med dobbelt vibrerende element,'- som-er særlig an-vendbar for .sensor-instrumentering....

Instrumenteringsteknikken har i mange år benyttet gyrosko-piske rotasjohsinstrumenter med en. spinnende gyro.'- Når gyroen . tvinges til å rotere om en akse vinkelrett på sin spinriakse, utøver den' et målbart kraftpar som er proporsjonalt med den ro-tasjon som avføles. Slik, gyroinstrumentering -er generelt kost-bar på grunn av presisjonen involvert i ■ dens utforming,- konstruksjon, og virkemåte-.

I det senere er det utviklet sensorinst.rumenter som ikke krever roterende deler, men' funksjonerer efter prinsippet om tvangsmessig vibrasjon av aktuatorlegemer . - Slike v.ibra sjons-legemer kan oppta et antall forskjellige konfigurasjoner, slik som reed-elementer, piezoelektriske krystaller, eller elektromagnetiske .elementer.

-Prinsippet for virkemåten av instrumentsensorer med vibrerende legeme er ganske enkel ... Hvis legemet' vibreres eller hol-'des.i bscillasjon langs en rett linje som elementet ledes.langs ved hjelp av en føring, så -vil det oscillerende legeme ikke ut-■ øve noen kraft andre'enn sin egen vekt i en retning - vinkelrett på føringen så lenge som.føringen opprettholder en konstant orientering i rommet. Hvis imidlertid føringen tvinges- til å-rotere orn en akse vinkelrett på seg. selv,, så vil det - oscillerende elementet føle krefter som virker på det gjennom føringen og vil reagere på slike krefter ved å generere.et signal eller end-re en vibrasjonsbevegelse som kan detekteres ay avfølingskret-■ sen eller mekanismer. Når det f.eks. benyttes et piezoelektrisk vibrerende krysta11-element, vil krystallen■svare på slik anvendt kraft ved å, generere alternerende eller pulserende signaler proporsjonale'med den anvendte' kraft. Ved benyttelse av et elektromagnetisk vibrasjonsavfølende system, vil sensoren reagere på slik .anvendt kraft ved å forårsake en avfølbar forandring i■karakteristikken til det avfølte- elektromagnetiske feit.- Tilsvarende vil vibras jonselementet ved bruk-av et kapasitivt avfølingssystem reagere på slik anvendt kraft ved å for-

■år sake. en forstyrrelse eller avfølba'r endring i den avf ølte kapasitivé omgivelse. Tilsvarende analogier kan gjøres med hensyn til andre former for avfølingsdeteksjon, slik som elektro-optiske eller tilsvarende. En beskrivelse av.de generelle prinsipper ved konstruksjonen til vinkelhastighetssensorer med vibrasjonselementer, og spesielt i' forbindelse med et system hvor sensoren omfatter en piezoelektrisk krystallstruktur, er detaljert forklart i samtidig patentsøknad med tittel Resonans oscillator driv-krets., inngitt 6.. juli: 1981 i USA med serienummer 280, 500, og i en publisert artikkel med tittel "Piezoelectric Vibrating Beam Rate Gyro".'Artikkelen'er publisert i Navy Technical Dis-closure Bulletin, bind-IV, nr. 6, juni 1979. I den utstrekning, slike angivelser er relevante for en forståelse av foreliggende oppfinnelse, er referansene herved inkorporert i beskrivelsen Ved utforming av konstruksjonen av vibrasjons-vinkelhastighetssensorer har man tidligere lagt vekt på detaljer- -konstruksjonen av selve det vibrerende element, eller i kretsen som .benyttes til å drive elementet,og/eller avføle og analysere det . avfølte signal.. Et vanlig problem i forbindelse med den tidligere kjente teknikk var at kjente konstruksjoner av vinkelhas-tighétssénsorer med vibras jonselementer' som hadde den ønskede grad av følsomhet, hadde iboende følsomhet for akustisk interferens, ytre forstyrrelser' eller tilbakekobling av vibrasjoner, '■følsomhet for akselerasjon, foruten typisk å vise. en begrenset frekvensrespons. For å minimalisere effekten av ytre forstyrrelser- og tilbakekoblet- vibrasjonsstøy på virkemåten av det vibrerende sensorelementet var det påkrevet med .kostbare kon-struksjonsforanstaltninger og ekstrem forsiktighet måtte følges •ved montering"av vinkelhastighetssensorens husdel. Slik forsiktighet ved montering ■ vil, ved siden av økning i -kostnaden

■for installert enhet, være avhengig av operatøren eller tek-nikeren som utfører installasjonen.

Det ville derfor være ønskelig på dette område å ha en vib-rasjons-vinkelhastighetssensor med den nødvendige.operative føl-somhet og nøyaktighet, men som likevel fremviste én høy evne til å-avvise.utvendig tilførte og innvendig tilbakekoblet vib- . rasjonsstøy,■på en måte .som eliminerer eller.minimaliserer spesielle foranstaltninger angående montering av den komplette enhet. Foreliggende oppfinnelse frembringer en vinkelhastighetssensor med .konstruksjon som tilfredsstiller ovennevnte kriteri-er.. Foreliggende oppfinnelse benytter et par med vibrasjons-sensorelementer montert på en spesiell måte, heretter kalt en "spennegaffel"-konfigurasjon, og dette på e'n måte som fremskaf--fer immunitet mot ytre vibras jonsstøy . såvel- som f ra.. tilbakekoblet vibrasjonsstøy fra drivkretsen selv.

Selv om vinkelhastighetsmålere tidligere - har benyttet hva som kan synes å være en stemmegaffel-konfigurasjon, se f.eks. US-patentene 2 503 340 datert 11. juli. 1950 og nr. 2 "817 7,79 datert 24. desember 1957, benytter slike konstruksjoner ikke'stemmegaffel-prinsippet på samme måte som benyttet, i denne opp-' finnelse. I begge konstruksjonene som beskrevet i disse patentene,, avhenger prinsippet om rotasjonsmåling av oscillasjons-vridningsmomentet til det totale system langs følsomhetsaksen. Tregheten av en . slik innretning begrenser nødvendigvis, dens. re- . sponsevne. eller evne til effektivitet, med mindre momentkrefte-ne ef svært høye. I sliké tilfeller vil torsjonsstråling bli en .begrensende faktor for sensoren.

For å unngå ovennevnte problemer ved den tidligere teknikk ■ har sener.e utvikler benyttet lette og aktive, vibrerende sensorelementer, som. f ; eks., illustrert i US-patent nr. 3 84 2 681 , publisert 23. oktober 1974. Mens denne forbedrede konstruksjon fremviser en torsjonsdrift og vibrasjonsrespons hos ■ s.ensorkry-stallen som er proporsjonal med vinkelhastigheten, vil slike konstruksjoner på grunn, av sin natur fremvise en lav resonans-f.rekvens som begrenser dens følsomme båndvidde', og den torsjons-' vibrasjon og de. akustiske problemer, som er forbundet med slike konstruksjoner er betydelige.

Foreliggende oppfinnelse vil effektivt møte og- overvinne

de fleste av ovennevnte, mangler med tidligere kjente virikelhas-tighetssensorer med vibrasjonselementer. Prinsippene ved foreliggende oppfinnelse . er anvendbare ikke bare. for piezoelektrisk følende krystall-elementer, men kan benyttes ved bruk av magne-' tiske drivfelt for vibrasjonselementet og.enhver passende avføl-ingsinnretning, slik som magnetiske, elektro-optiske eller ka-pasitive avfølingskonfigurasjoner. Foreliggende oppfinnelse fremskaffer en vinkelhastighetssensor som, er effektiv i drift

og som er relativt ufølsom overfor akustisk interferens,' utvendig eller tilbakékobléde vibrasjoner og akselerasjonsvibra-sjoner samtidig som den fremviser bred frekvens-respons, foruten at den krever minimal installasjonsforanstaltningér- eller kostnader. ■ Foreliggende oppfinnelse frembringer kort sagt en enkel og effektiv anordning som signifikant reduserer flesteparten av feilkildene forbundet med tidligere kjente vinkelhastighetsmålere med vibrerende elementer. ForeliggendeOppfinnelse frembringer en forbedret konstruksjon av vinkelhastighetssensorer med- høy grad av nøyaktig-het og følsomhet, på tross av relativt lav ufølsomhet' for utvendig påført, støy og vibrasjonssignaler. Sensorkonstruksjonen ifølge.oppfinnelse eliminerer på praktisk måte utsendelse av vibrasjonssignaler gjennom dens monteringsbase eller, husdel, hvilke signaler kunne forårsaket uønskede og feilinduserende tiibakekoblingssignaler, og derméd har man minimalisert de spesielle .krav og foranstaltninger som tidligere typisk medfulgte montering av konstruksjoner i form av vinkélhastighetssensorer.

Sensorkonstruksjonen benytter et par med vibrerende sensorelementer montert for.fysisk vibrasjon eller bevegelse i-direkte opposisjon til hverandre omkring en nodalakse. Det er tilveiebragt passende drivanordninger for.energisering av paret med sensorelementer for funksjonering i en første bevegelsesmodus, for' direkte motstående bevegelser relativt hverandre om en nodalakse. I en slik første bevegelsesmodus vil de respektive vibrasjonskrefter som overføres fra de vibrerende sensorelementene som et resultat av deres bevegelse, og til monteringsanord-<ningen, kansellere hverandre'langs nodålaksen på en slik måte' at overføring av enhver vibrasjonskraft gjennom sensorens monte-ringskonstruksjon er neglisjerbar.' Omvendt vil utvendig vibra-sjonsstøy eller akselerasjonskrefter overført gjennom.monteringskonstruksjonen til de vibrerende sensorelementer, omsettes gjennom paret med sensorelementer i eksakt opposisjon tii hverandre, og på denne måten forårsake at paret med sensorelementer kansellerer effekten av slik støy, eller akseleras jonskref ter. Avfølingsanordningen er operativt forbundet med i det minste én av de vibrerende sensorelementene for dannelse av' et avfølt utgangssignal • i svar på en endring i bevegelsen av sensoreleme.n-tet fra dets første vibrasjonsmodus.

Ifølge en utførélsesform av oppfinnelsen består de vibrerende sensorelementene av et par med piezoelektriske krystall-elementer symmetrisk plassert og montert på oppstående og i hovedsak parallell måte omkring■nodal-aksén: Hver av de vibrerende krystall-elementer omfatter et drivelement og et avfølen-de krystall-element.. I et slikt arrangement kan den avfølende anordning bestå av en passende forbindelse"til, og mulig sam-menknytt av det eller de avfølende krystallelementdelers vibras jonselementer •'f pr å detektere elektriske signaler generert i avfølingskrystallens element eller elementer som svar på en rotasjonsbevegelse som sensorapparatet utsettes for.

Ifølge en .annen .utførélsesform av oppfinnelsen kan de vibrerende ■sensorelementer bestå av et par med mekanisk•vibrerende elementer drevet i'direkte opposisjonsbevegelse til hverandre>fortrinnsvis ved hjelp av. en elektromagnetisk d-r.ivanordning. Bevegelse av en eller begge av de vibrerende elementene som svar på påvirkning fra en ekstern rotas j onskraft, . kan detektéres elektromagnetisk ved hjelp av en enkel elektromagnetisk spolean--ordning, optisk, kapasitivt, eller ved hjelp-av andre passende teknikker..

Selv om foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet med hensyn- til to. foretrukne utførélsesformer av oppfinnelsen som illustrerer de motstående strukturer ved montering av de vibrerende elementer ifølge foreliggende oppfinnelse, vil det bli for-stått at andre teknikker også kan benyttes innenfor oppfinnel-sens ramme og intensjoner. Tilsvarende skal' det forstås at selv om en spesiell konfigurasjon av.piezo-elektriske bender-krystaller blir benyttet med- hensyn til den foretrukne utførelse av oppfinnelsen, så kan andre krystaller eller vibrasjonselementer eller konstruksjonsdeler også'benyttes. Videre -skal det forstås at selv om det beskrives spesielle avfølingsanordninger med hensyn tii avtasting av bevegelse, hos en eller flere av de vibrerende elementene annen enn deres normale vibrasjonsmodi, .'så kan det også benyttes andre avfølingsanordninger innen rammen og intensjonene: av .denne- oppfinnelse. Disse og andre modifikasjoner'av.. oppfinnelsen vil være innlysende for fagmannen ■ på området., i-, lys av følgende beskrivelse og foretrukne utf.ørélsesformer av denne oppfinnelse..

Det vises nå til tegningene, hvor like henvisningstall-representerer like deler på de forskjellige figurene, hvor: Figur 1 er et perspektivriss som illustrerer en første utførélsesform av en vinkelhastighetsensor konstruert ifølge - prinsippene i henhold til . foreliggende oppfinnelse og som illustrerer.anvendelsen av oppfinnelsen véd hjelp av piezo-elektriske, vibrerende krystall-elementer; figur 2 er et sidesnitt av vinkelhastighetsensoren. illustrert på figur 1; figur 3 er et toppsnitt av vinkelhastighetsensoren illustrert.på figur 1; "figur-4 er et perspektivriss som illustrerer én andre ut-førelsesfbrm av en enkel hastighe.tsensor konstruert ifølge prinsippene til denne' oppfinnelse, og som illustrerer anvendel-sen av oppfinnelsen ved en elektromagnetisk drevet konstruk sjon; figur 5 er et sideriss, av .vinkelhastighetsensoren illustrert på. figur 4, men med enkelte deler brudt vekk og figur 6 er et toppsnitt av vinkelhastighetsensoren. illustrert på figur 4 ..''..-.' ■Oppfinnelsen anvender en ny sammenstilling av elementer arrangert på slik måte at de.t frembringes en forbedret vinkelhastighet-sensor med vibrerende elementer. Sensorkonstruksjonen benytter to identiske vibrerende elementer montert og drevet slik at de vibrerer, i opposisjon til' hverandre,- på lignen-.de måte og etter samme prinsipper som benyttet i en stemmegaffel'. De vibrerende elementer kan f.eks. bestå av piezoelektriske bender-krystaller, eller elektromagnetisk responsive vibrasjonselementer ■ slik det skal.diskuter.es ,i større detalj nedenfor. Vibrasjonselementene er fortrinnsvis festet ved.en ende i en monteringsmekanisme og rager utover fra..denne på hovedsakelig parallell-.måte, fritt utragende-mot en fri ende.'Vibrasjonselementene er hovedsakelig lette og kan utsettes for kontrollert aktiv bevegélse ved deres respektive, frie ender som svar på- et tilført oscillerende drivsignal. Vibrasjonselementene drives (vibreres), i et- oscillasjonsplan motstående hverandre omkring en montering eller ■nodal-aksesymmetri. ■' Siden, vibrasjonselementene drives.i bevegelse direkte motsatt .hyer-

andre, danner deres kombinerte vibrasjonskrefter som reflekteres tilbake til monteringsunderlaget, en akustisk node ved symmetriaksen til monteringsunderlaget, og som resultat over-føres ingen utvendige vibrasjonskrefter på grunn av bevegelsen av de vibrerende elementer. Omvendt vil enhver utvendig vibrå-sjonsstøy som ellers ville- bli over-ført gjennom- monteringsunderlaget til de vibrerende elementene, (i tidligere kjent teknikk til et enkelt vibrerende element) bli tilført likt til begge av

de motsatt vibrerende elementene. Siden de vibrerende elementene beveger seg direkte.motsatt til.hverandre, er effekten av mottatt vibrasjonsstøy .nullet ut.

En første utførélsesform av.oppfinnelsen er illustrert på .figurene-1,til 3. Den første utførelsen illustrerer anvendelse - -av, oppfinnelsen i samband med en sensorkonstruksj.on som benytter- seg av piezoelektriske sensorelementer. Som det, fremgår av figurene 1 til 3, er det konstruert -et par med piezoelektriske vibrasjonselementer som på figurene generelt er angitt med henvisningstall' 10. Deres virkemåte, er b.eskr.evet i'.tidligere nevnte artikkel med tittel "Piezoelectric Vibrating Beam Rate Gyro." , og i nevnte US-paten.tsøknad nr. 380 500 inngitt 6. juli 1981.

I den utstrekning innholdet av artikkelen og US-patentet definerer de piezo-elektriske- elementer eller deres virkemåte, henvises det her -til disse beskrivelser.

Hver' av de vibrerende elementene 10 består av et par med rektan-gulære piezoelektriske bender-krystaller innrettet, i.lengderet-ning med hverandre, men rotert 90°- i forhold til hverandre. Den fåstgjorte krystallenheten, heretter beskrevet i mer detalj som driv-krystallen, er betegnet- med henvisningstallet 10-A i

- figurene. Den andre krystallenheten refereres til 'som avføl-. ingskrystallen, og betegnes med 10B på figurene. Drivkrystalien 10A og avfølingskrystallen lOB er ført sammen: ende mot ende og er montert for- innretting om en avfølingsakse (S) ved hjelp av passende inn-f ésting-smiddel,: generelt betegnet ved 11.-

Paret med vibrerende krystall-elementer er konstruert til å være så identiske, med hverandre som mulig med hensyn til fys-. isk' egenrésbnans og .masse. En ende av hver av drivkrystall-.elementene'10A er fastgjort til et basis- eller'monteringsstykke generelt betegnet ved 15. Basisstykket 15 er symmetrisk utformet ' omkring .en monterings- eller nodalakse ' som generelt

■betegnes med Henvisningståll 20. Basisstykket består av.første og andre monteringsd.eler respektivt angitt, med 15A og 15B. Materialet i' monteringsstykket 15 skal ha en akustisk stivhet lik eller større enn tilsvarende for krystallenheten 10. Som det er kjent innen akustikk, er materialstivhet en egenskap som avhenger av materialets evne' til å tape akustisk eller vibrasjons-eriergi. Jo stivere et material er, desto lavere er dets vibra-sjonståp. I den foretrukne.konstruksjon er monteringsstykket. 15 av messing, men ethvert annet materiale med den ønskede stivhet kan bli benyttet. Den første monteringsenhet 15A definerer-en i hovedsak U-formet (når den betraktes ovenfra) kanal definert av et par med flate og vertikalt orienterte overflater 16 (se fig. 3), og som er utformet for uniformt å ligge an mot en side" av drivkrystall-enhet 10A. Den andre monteringsénhet 15B er T-formet' og • dimensjonert til'å passe inn i den U-formede kanal på det første monteringsstykke 15A. Monteringsstykket 15B har et par flate og vertikalt orienterte overflater 17 som er til-.dannet for uniformt å ligge an mot- de fastholdte endene av drivkrystallene'10A mellom de motstående flatene 16 og 17 (se fig. 3). Et elektrisk isolerende, lag 12 befinner seg mellom tilsvarende flater på. første og andre .monteringsenhet 1'5A og 15B og strekker seg bak de fastholdte ender av drivkrystallene 10A for å isolere slike ender fra elektrisk kontakt med monteringsstykket 15A og for elektrisk å isolere monteringsstykkene 15A og 15B fra hverandre.

Monteringsstykkene 15A"og 15B virker også som elektroder eller ledere for overføring av elektriske signaler til eller fra drivkrystallene ■ 10A.' I' en foretrukket konstruksjon av sensoren er de motstående flate overflatene' til drivkrystallene 10A loddet til de flate arealene 16 og 17 tilhørende første og andre imonterihgsstykker 15A og 15B, respektivt (se' fig. 1 og 3). Lod-. deforbindelsen tilveiebringer både' god elektrisk og mekanisk 'forbindelse mellom drivkrystallene 10A og-monteringsstykkene 15A■ og 15B. De fastholdte endene av drivkrystallene 10A kan også holdes på plass ved- passende festemidler slik som epoksy eller lim, og elektrisk forbindelse' til disse endene kan. utgjøres av små-'ledningstråder ■ eller - andre elektriske kontaktanordninger . Alternativt kunne dimensjonene o'g toleransene av de tilpassede deler av.første og andre monteringsstykker 15A og 15B være

slik at de .fastholdte ender av drivkrystallene lOA kunne fast- • holdes, f riks jonsmessig-, og muligens .endog frembringe elektrisk kontakt.med drivkrystallene gjennom slik- friksjonsmessig fast-holdelse. Øvrige monterings- eller elektriske forbindelsesmåter vil være innlysende for. fagmannen på. området. For å unngå spenninger i de' fastholdte ender av drivkrystallene 10A ,. er det ønskelig med uniform ledende kontakt mellom overflatene 16 og 17'hos elektrode-monteringsstykkene 15A og 15B og de innspen-te sidene, av drivkrystallene; 10A.

Det første monteringsstykket 15A strekker seg i lengderetningen utover langs nodalaksen 20 til en T-formet monterings-bjelke, som generelt er betegnet med 1.8 , hvis endestykke (18a) festes til et passende -basissubstrat 19 som f ..eks', kan bestå av et print-kort, hus eller chassisdeler for sénsorapparatet. Den frie ende av det andre monteringsstykket 1-5 strekker seg og-så 1 lengderetningen utover langs nodalaksen 20 til et monte-ringspunkt 21, som likeledes festes til substratet 19.- Monte-■ ringspunktené for elektrodepunktene 21., og . 18a.. frembringer elektriske veier og/eller kontakter for elektrbde.stykkene 15Å og

*-15B til elektriske kretser (ikke viste) som befinner seg på- substratet 19 eller er- festet til eller gjennom dette. Som det illustreres på figurene, spenner monteringsstykket 15 idet dette er. fastmontert til substratet 19 ved hjelp av monteringspunk-'tene'21 og 18a, faste krystall-elementer 10 på en fritt utragende måte omkring deres respektive avfølingsakser (S), symmetrisk omkring nodalaksen 20,og langs overflaten av substratet 19.

I den foretrukne utforming av.sensoren er monteringsstykket laget i messing, noe som også-tilveiebringer ønsket elektrisk ledningsevne for elektrodefuhksjonen av monteringsstykket..• Det kan forstås at andre materialer like gjerne kan.benyttes innen ' ■rammen og intensjonene av denne oppfinnelse. Likeledes skal for-. stås at selv om monteringsstykket 15 i den viste utførelse .-tje-ner som elektrode, kan det tenkes at enten den ene eller begge av monteringsstykkene 15A eller 15B kan benyttes som elektroder, eller at ingen skal benyttes' som elektroder, men at elektrisk forbindelse.til drivkrystallene kan opprettes på andre måter, f: eks-, ved hjelp av loddef orbindelser .

Mens det er beskrevet en spesiell konstruksjon av monteringsstykket 15 i forbindelse med denne utførelse av oppfinnel sen, vil det forstås at andre utførelser- på -tilsvarend<e>'måte kan benyttes innen rammen og intensjonen av denne oppfinnelse.

Dét primære hensyn i utformingen av slike mon-teringsstykker er-at når de vibrerende'sensorelementene er operativt montert ved hjelp.av dem, så skal de være symmetrisk montert omkring nodal-. aksen for motsatt vibrasjon relativt hverandre om denne, slik det -i større detalj vil bli beskrevet nedenfor.' En' fordel ved utformingen som.illustrert i beskrivelsen ifølge første del av

oppfinnelsen, og" spesielt med hensyn til T-utformingen av monte-. ringsforlengelsen 18, er at slike trepunkt-monteringer kompen-serer for ekspansjon langs nodalaksen 20 på- grunn av temperatur- . variasj.oner, ' ufullstendigheter i monteringen til substratet' 19 o. 1.., hvilke utvidelser vil. f øre spenninger tilbake til krystall-enhetene 10.....

Slik det er beskrevet ovenfor, er drivkrystallene 10A ener;

gisert gjennom elektrodeenhetene 15A og 15B ved deres fasthold- " te ender. Elektriske signaler som dannes i de piezoelektriske avfølingskrystaller 10B ■ forårsaket av bøying av disse på grunn av avfølt vinkelbevegelse, bringes fra avfølingskrystallene ved hjelp av fine isolerte ledere 25 loddet til motstående br.éde overflater på avf ølingskrystallene'. Lederne 25 er montert langs bøyningsaksene av driftkrystallene lOA og. bakover, mot monteringsstykket 1-5, og festes til eller gjennom elektriske kretser (ikke vist) eller er festet til eller gjennom basissubstra-tet 19. Lederne. 25 kan knyttes sammen ved hjelp av utvendig kretser på hvilken-som helst måte for å analysere<p>g benytte signalene, som dannes av de avfølende krystallene 10B. I deh foretrukne kohstruksjon-.ér lederne 25 forbundet med hverandre ved hjelp av utvendig kretser for elektrisk å forbinde1 avfølingskrystallene 10B i parallell. I et slikt arrangement er ledere. 2,5a og 2 5b vanligvis forbundet som en terminal i det to-sidige sénsorarrangementet', og ledere 25c og 25d. er forbundet med hverandre for å utgjøre den andre terminal for sensorkrystal-lene 10B. Som det vil bli verdsatt av fagménn på området,.kan de eksterne forbindelsene alternativt bli utformet for sammenkobling av avfølings-krystallsignalene i serie, eller for direkte å føre de respektive "signaler fra hver av avf ølingskrystallene lOB til passende blandekretser.

Hvis forbundet med hverandre i serie,.kunne 'strukturen' illustrert på figurene 1 til 3 være e'ksternt koblet sammen på slik måte at ledere 25b og 2 5d var koblet sammen med hverandre, mens ledere 25a og 25c danner utgangsterminalene til den to-. sidige avfølingskonstruksjonen. Alternativt kunne ledere 25a og 25c' kobles • sammen med hverandre,. mens ledere' 25b og 25d danner utgangsterminaler.

Som det vil fremgå fra en full lesning av denne beskrivelse, vil det'ikke være nødvendig å forbinde avfølingskrystaller 10B hos begge krystallenheter 10. Selv om begge drivkrystaller 10A skal ene.rgiseres for å oppnå de-ønskede vibrasjonsresulta-ter for den hele sensorkonstruksjon, vil det være mulig.å oppnå • tilstrekkelig og avfølt informasjon fra en enkelt en avavføl— ingskrystallenhetene 1GB. Denne'betraktning er- likeledes gyl-dig for andre vibrasjonsutførelsér (f.eks. ikke-krystallutfø-relse) ifølge foreliggende oppfinnelse.

Ved elektrisk sammenkobling som i ' den. foretrukne utførelse vil dert motsatte bsciliasjonsbevegelse til de avfølende krystallene ,'• forårsaket av en rotasjonsbevegelse som sensoren utsettes for, avgi signaler, fra avf ølingskrystallene -lOB som. adderer - sam-, men på slik måte at bevegelse,f.eks. akselerasjon 'eller lignende, vil'subtraheres fra hverandre, . og på denne måten kanselleres.

Det vil forstås at passende drift-, avføling- og deteksjons-kretser (ikke vist) operativt kan. forbindes til elektrodetermi-nalene på monteringsstykket 15 og til utgangsterminalene på avfølingslederne 25 for å frembringe den ønskede virkemåte, på kjent måte. Det vises f.eks. til tidligere nevnte US-patent-■ søknad.

Lederne 25 på avfølingskrystallene er montert laags symme-' triplanene i mon ter ing.ssys ternet. Det. er. benyttet tynne ledere for -så langt som mulig å redusere uønsket stråling fra eller oppfangning av vibrasjonsenergi gjennom lederne..

Som tidligere fastslått er paret med driv- og avfølings-krystaller 10 tilpasset så.nær hverandre som mulig med hensyn til resonansegenskaper. I den foretrukne utførelse er .slik til-passing fortrinnsvis annen én hertz, og avfølingskrystallens re-sonansfrekvens velges tilnærmet 2000 hertz. Den korte,, stive' ' og lette vibrasjon.skrystallenhet 10 energisere.s til en resonans-frekvens tilnærmet lik 260 hertz, idet. det produseres todatå-samplinger ved hver cyklus, slik at en meningsfull dynamisk respons på'over 200 hertz"er mulig.

Stemmegaf f el-arrangementet- for montering av-'vibras jons-enhetene fremskaffer en enkel og svært effektiv måte for signifikant å redusere flesteparten av de feilkilder som tidligere fremkom i forbindelse -med vinkelhastighet-sensorer med vibrasjonselementer. Energien i forbindelse med vibrasjon av vibrasjonselementene 10 er bevart ved hjelp av stemmegaffel-symmetri-en i systemet, og så godt som ingen vibrasjonsenergi spres via monteringskonstruksjonen til substratet.'Konstruksjonen skiller seg vesentlig fra tidligere kjente vinkelhastighet-sensorer hvor energien som utgår fra slike tidligere kjente systemer typisk reflekteres tilbake inn i systemet i varierende gfåd. Slik re-flektert - energi innvirker generelt på avfølingskrystallen og forårsaker feilaktige og ustabile avlesninger. Konstruksjonen ifølge'foreliggende;oppfinnelse avviser også utvendig•generert vibrasjonsenergi på grunn av dens spesielle symmetriarrangement med motstående kompensasjon.

Følsomhet er bevart ved foreliggende oppfinnelse siden.det kun er de'lette avfølingskrystallene (10B) selv som frembringer avfølinger, :i motsetning, til tidligere teknikks avfølingssyste-mér som måler oscillasjonsdreiemomentet,av det fullstendige av-følingssystem om en generell- avf ølingsakse . Med foreliggende oppfinnelse kan det oppnås en relativt høyresohansfrekvens for-, uten økt båndbredde. Oppfinnelsen produserer kun små mengder torsjonskrefter, -likevel holdes sensitiviteten til avfølingskrystallene 10B høy. Avfølingskrystallene 10B vippes av drivkrystallene 10A, slik at mesteparten- av.vibrasjonsenergien opptrer ved de frie endene av avfølingskrystallene . De frie endene av avfølingskrystallene drives om deres, respektive avfølingsakser (S) slik det. illustreres ved D .på fig. 3 i. oscillas.jonsplanet. som' avf ølingsaksen (S) ligger i.

Drivkrystallene 10A' driver avfølingskrystallene 10B på

slik måte at-deres respektive bevegelser er i en retning motsatt til hverandre (dvs. begge, beveger seg samtidig resp. mot og vekk fra nodalaksen'20 på samme tid og ved eksakt samme hastighet). De kumulative vibrasjonskrefter fra slike bevegelser som reflekteres tilbake gjennom drivkrystallene -lOB til monteringsstykket 15 er i hovedsak lik null, på grunn av.den kansellerende effekt av den motsatte bevegelse bm nodalaksen.

Avfølingskrystallene svarer på en dreie-vinkelbevegelse.

(dvs. til en kraft vinkelrett på både vinkelbevegelsen og driv-bevegelsen) tilført til de frie ender av avfølingskrystallene. Kreftene- som tilføres de frie ender av de to avfølingskrystallene 10B på grunn av avf ølt vinkelb.evegel se, er i motsatte retninger, og dette danner et kraftpar som resulterer i vibrende

.torsjon om nodalaksen'20. Siden avstanden mellom paret er liten, og siden svært små krefter er- involvert, på grunn av de små mas-sene til .krystallene., vil de resulterende vridnihgskreftene som reflekteres til og gjennom monteringsstykket 15 være neglisjer-bare. Tilstedeværelsen av slike krefter vil imidlertid produse-' re et større bøyemoment på dé individuelle avfølingskrystallene 10B, som er tilnærmet lo ganger større enn de reflekterte vrid-ningskreftene, og disse bøyemomentene forårsaker at de piezo-elektriske krys.tallené1 genererer elektriske signaler proporsjo-nale med størrelsen av bøyemomentene i avfølingskrystallen . De store bøyemomentene , i avfølingskrystallene frembringer■forbedret følsomhet for systemet,'samtidig som utstrålt vibrasjon og akustiske forstyrrelser praktisk- talt reduseres til.null.'

Selv om oppfinnelsen ovenfor er beskrevet med hensyn til en første utf ørélsesf orm som benytter pie.zoeléktriske vibras jonsav-' følere, er prinsippene if-ølge oppfinnelsen anvendbare også for andre typer vibrasjonselementer såvel som for andre deteksjons-, måter.

■En andre utførélsesform av oppfinnelsen omhandlés på figurene 4 til 6. Denne andre utførélsesform- illustrerer benyttelse-ifølge oppfinnelsen av et .elektromagnetisk' driv-- og avfølings-system. De vibrerende sénsorelementene er generelt angitt ved' 30A og 30B, og strekker seg på en fritt utragende måte .fra en fastholdt ende til en. fri ende.. De.fastholdte endene av yibra-sjonsele.men.tene 30A og 30B er festet til nord- og' sydpoler resp., av en permanentmagnet i form av en monteringsblokk 31. Magneten 31 er ved hjelp av en sokkel 32 montert til det'undérliggende

substrat 19. De- vibrerende elementer -30A og 30B kan f astholdes til monteringsbase. 31 for permanentmag.neten ved hjelp av enhver passende festeanordning.. De vibrerende elementér.30A og'30B

.monteres til magneten 31 på en slik måte at de hver seg ligger , langs respektive avfølingsakser'. (S) som ligger i samme- plan og . er parallelle med-'hverandre og. som.er symmetrisk plassert relativt

til, og befinner. seg i samme plan som, nodalaksen 20..'De vibrerende sensorelementer 30 er fastspent på en fritt utragende måte og med en viss avstand til øvre flate på det underliggende substrat 40....

Det vibrerende sensbrelement 30 drives av et,elektromagnetisk drivelement 33 méd form ifølge'en foretrukket utførelse, som 'hovedsakelig ligner en hestesko og som.er fastgjort til sub-, stråtet ved :ét flertall monteringsstykker 34. Dé frie, gap-dannende endene av.drivkjernen 33 er montert i innretting med og på; hver side av de vibrerende.elementene 30A og 30B.. Rundt drivkjernen -33 er det viklet en eller et flertall vinninger 35, passende, for tilknytning til en ikke vist. hensiktsmessig AG--strømkilde, som når den energiseres'forårsaker drivkjernen 33 til, å virke som en. elektromagnet, idet den alternerende tiltrek-ker og- frastøter vibrasjonselementene 30A og 30B. Dette får vibrasjonselementene til å oscillere i motsatt retning av hverandre i oscillasjonsplanet som er definert av avf-ølingsaksene (S) '. Det vibrerende elektromagnetiske drivk jerneelementet 33 bringer de vibrerende elementene 30A og 30B-til alternativ å bevege ség mot og' vekk'fra nodalaksen 20 i motsatt forhold; til hverandre, slik det illustreres'på fig. 6, og som'likeledes var tilfelle dé piezoelektriske krystallenes bevegelse.

De frie endene av de vibrerende elementene. 30A og 30B er innrettet for bevegelse .inne i gapet i kjernen.av en avfølings-spole som generelt betegnes med 38.. Gapet i avfølingsspolen 38 er vist ved henvisningstall 38g-. Avfølingsspolen 38 består ho- ■ vedsakelig av en C-formet kjerne, som'danner gapet -38g, hvilken kjerne' er fast montert til substratet 19 ved hjelp av passende monteringsbolter eller lignende. En eller et flertall viklinger 39 rundt kjernen til åvfølingsspolen. detekterer de avfølte.ut-gangs signaler.'

■ Prinsippene til virkemåten ifølge den andre utførélsesform .av oppfinnelsen er svært lik den- tidligere, beskrevne med hensyn til. første utførelsesform med unntak, av at 'de- avfølte signaler detekteres elektromagnetisk og at -drivmekanismen for de vibré-ren — de elementene er elektromagnetiske. Et AC-drivsignal tilført viklingene 35 på drivkjernen 33 genererer- en vekslende elektromagnetisk drivkraft overført fra kjernen 33 til vibrasjonselementene 30A og 30B, slik at disse .elementene vibrerer i motsatt retning av hverandre i. oscillasjonsplanet. Siden oscillasjons — bevegelse av.de frie endene av de vibrerende elementene 30A og 30B er i et enkelt plan inne i gapet ,30g ved utgangssensoren, etableres intet utgangssignal i utgangsviklingene 39. Når sensoren utsettes for en roterende bevegelse, vil krefter virke på vibrasjonselementene og bringe deres frie ender til å vibrere ut av deres normale oscillasjonsplan, forstyrre det magnetiske feltet i gapet 30g i -sensorspolen og produsere et målbart' ut-•gangssignal i utgangsviklingene 39. På grunn av■stemmegaffel-konfigurasjonen av de vibrerende elementene' 30A og 30B,.som ved den første utf ørélsesf orm, vil ingen vibras jonsenergi' bli over-ført gjennom monteringsmagneten pg.til substratet 19 siden den : .motsatte bevegelse av de vibrerende elementene 30A og 30B vil nulle hverandre ut langs nodalaksen 20. Videre vil ikke utvendig påførte vibrasjoner -eller akselerasjonskrefter påvirke vib-rasjonen eller avfølingsnøyaktigheten til de vibrerende elementene,' fordi slike krefter vil nulles ut ved hjelp av stemmegaffel-monteringsarrangementet. Og tilsvarende;som ved første- ut-førélsesform' av oppfinnelsen, idet bevegelse av begge vibrasjonselementene 30A og 30B. er illustrert avfølt ved avfølingsspolen 38, kan prinsippet'ifølge oppfinnelsen like gjerne brukes til a<y>føling av en enkelt av vibrasjonselementene.

Et tilleggstrekk ved.den andre utførelsen av oppfinnelsen, er at enhver innretningsfeil ved vibrasjonselementene 30'A og 30B kan fjernes ved -enkelt å justere' rotas jonsinnretningen av utgangselektromagneten 38 rundt nodalaksen 20. Dette trekk kan betydelig forbedre følsomheten for sensorenheten ved reduksjon

av synkroniseringsstøy. En annen fordel med den- elektromagnetiske konstruksjonen er at slike konstruksjoner er- svært- soli-de, er enkle å konstruere, og motstår videre temperatursving-ninger enn den. piezoelektriske konstruksjon som■tidligere beskrevet.

Fra ovenstående beskrivelse vil det være klart at foreliggende oppfinnelse løser mange av de problemer eller mangler som er forbundet med'tidligere kjente vinkelhastighet-sensorer med'vibrasjonselementer. ,' Det vil forstås at selv om det beskrives spesielle løsninger for foreliggende oppfinnelse, som den beskrevne bruk i forbindelse med piezoelektriske krystaller og elektromagnetisk.aktiverte vibrasjpnssystemer, så er oppfinnelsen utnyttbar'méd andre former for driv- eller avfølings- måter. ' For eksempel kan på enkel måte konstruksjonsdeler' for avføling av aktiverte vibras jonselementer-.benytte elektro- • optiske eller kapasitivé avfølingsmåter i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Videre vil det forstås at selv om spesielle utforminger av ' monterings- og drivk-onstruks jonene er blitt illustrert med hensyn til de piezoelektriske'og elektromagnetiske utførélsesformer ifølge oppfinnelsen, så kan andre utfø-reiser som benytter montering av stemmegaffelprinsippet for vibrerende.elementer like gjerne benyttes.

Andre modifikasjoner, av oppfinnelsen'vil være nærliggende for fagmenn på området i'lys av foregående beskrivelser. Disse beskrivelser, har til hensikt å gi spesielle eksempler på individuelle utførelser som klart viser foreliggende oppfinnelse. Følgelig'er oppfinnelsen ikke begrenset til de beskrevne utfø-relsesformer, eller til bruk av de spesielle elementene -eller

■konstruksjonsdetaljene som ér inneholdt her. Alle alternative modifikasjoner og variasjoner av foreliggende oppfinnelse som faller innenfor den brede ramme av vedføyde krav' er dekket.

Claims (1)

1.. Vinkel hastighet-sensor omfattende (a) ett sett med vinkelhastighet-sensor-vibrasjonselementer,

■ karakterisert ved

(b) en anordning for montering av settet med vinkelhastighet-

. sensor-elementene for fysikalsk vibrasjon i retninger direkte motsatt av hverandre' omkring en nodalakse;

(c) en anordning operative forbundet med sensorelementene for energisering av sensorelementene i e'n første virkemodus med motsatte bevegelser relativt til hverandre, om nodalaksen., hvorved vibrasjonskrefter fra settet med elementer' kansellerer hverandre langs nevnte nodalakse, slik at transmisjon av disse gjennom nevnte anordning for montering er neglisjerbar; og

(d) en f.øleanordning operativt .forbundet med i det minste en av sensorelementene for dannelse av et avfølt utgangssignal i avhengighet av en forandring hos- sensorelementene fra dets

■første vibrasjonsvirkemåte.

2. , Sensor ifølge krav 1, karakterisert ved at settet.med vinkelhastighet-sensor-vibrasjonselementer er

.fysikalsk og funksjoneringsmessig identiske til hverandre- innen akseptable operative toleranse - grenser.-

3. Sensor ifølge krav 1,- k a r a k t e " r i s e r -1 ■ ved at-settet med sensorelementer er symmetrisk plassert-i lengderetningen omkring en første 'og en andre avføllngsakse som er beliggende i.samme plan og parallelle med hverandre.

4..'' .Sensor ifølge krav 3, karakterisert ved a-t sensorelementene ér montert slik at- avfølingsaksene er parallelle med nevnte nodalakse.

5 . Sensor ifølge krav 1, karakterisert ved at settet.med sensorelementer omfatter piezoelektriske krystall-enheter.

6. Sensor ifølge krav 5, karakterisert '-ved at settet med piezoelektriske krystall-enheter er fordelt i lengderetningen langs første og andre parallelle avfølings- akser, hvor hver av de piezoelektriske enheter omfatter et driv-krystall-element og et avfølings-krystall-element og en anordning for sammenkobling av driv- og avfølingskrystall-elementene i en ende-mot-ende-utformning langs avfølingsaksen, men prien^ tert med 90 graders dreining med hensyn til hverandre..

7. Sensor if ølge. krav. 6 ,. karakterisert ved at anordningen for energisering omfatter, til dels drivkrys

tallelementene, hvor drivkrystallelementene når energisert hver bringer avfø lings-krystall-elementene til å oscillere i et' oscillasjonsplan i retninger direkte motsatt hverandre omkring' nodalaksen.

8. Sensor ifølge- krav 6, karakterisert ved at avfølingsanordningen inkluderer anordninger for elektrisk forbindelse i parallell mellom de piezoelektriske avf-ølings--krystall-elementer.. '...'

9. Sensor ifølge krav 6, karakterisert

ved at avfølingsanordningen inkluderer anordninger for elektrisk forbindelse i serie mellom de piezoelektriske avfølings-krystall-

elementer..

10. Sensor ifølge krav 8 eller 9, k a r a ;k t e r i -• sert ved at anordningen for elektrisk forbindelse inkluderer et sett med fine ledningstråder loddet til motstående flater på hver av avf ølings-krystall-elementene..

11. Sensor ifølge krav 5, karakterisert

.ved at anordningen for montering omfatter en elektrodeinnret-,-ning operativt forbundet med de piezoelektriske- krystall-elementene for overføring av elektriske .strømsignaler til sensorelementene.

.12. Sensor ifølge krav 6, karakterisert

-ved at rnonteringsanordningen omfatter en elektrodeinnretning operativt forbundet for energisering av-settet med piezoelektriske driv-krystall-elementer, hvorved driv-krystall-elementene når de er elektrisk energisert, vil bringe settet med avfølings-krystall-elementene til å bevege' seg i motsatte' vibrasjons-bevegelser relativt hverandre.. "

13. Sensor ifølge krav 12, karakterisert ved at eléktrodeanordningen er .loddet til driv-krystall-elementene.

14. Sensor ifølge kravene 1 eller 5, karakterisert ved at vibrasjonsstivheten i monteringsanordningen er identisk med eller overskrider stivheten til sensorelementene.

15. Sensor ' ifølge krav 1, kara- k"-t e r i s e r t

■ved at energiseringsanordningen omfatter en elektromagnetisk :e nergisert kilde..

16. Sensor ifølge krav 1 eller 15, . k a, r a k t e r i - sert '. ved at avfølingsanordningen. omfatter elektromagnetiske avfølingsinnretnihger. "

17. Sensor ifølge krav 15, karakterisert ved at settet med- sensorelementer omfatter et par med avlange, magnetiske vibrasjonsel <e> menter' montert på en fritt' utragende måte-og'åt hver av. elementene symmetrisk, strekker seg langs et.

par med parallelle avfølingsakser. -

18. Sensor ifølge krav-17, karakterisert ved at avf ølingsaksen' strekker seg i hovedsak parallelt med noda laksen

■19..Vinkelhast ighet-sensor, karakterisert ved at den omfatter:

(a) -.. en substratoverflate■ eller bæreflate;

(b) et sett med vibrasjonselementer med i hovedsak identiske responskarakteristikker for vibrasjon;

(c) monteringsanordning operativt forbundet med vibrasjonselementene som på fritt utragende måte strekker seg utover substratoverflaten i symmetrisk orientering omkring en felles noda lakse, og

(d) drivanordninger- operativt■forbundet med settet med vibra-

' sjonselementer for å .'frembringe og opprettholde bevegelse av vibrasjonselementene i en første vibrasjonsmodus slik at settet.

. med vibrasjonselementer samtidig beveger seg' i direkte motsatt bevegelse til. hverandre om nodalaksen-, hvorved vibras jonskref-ter. overført fra settet med bevegelige vibrasjonselementer til monteringsanordningen' kansellerer hverandre langs nodalaksen.

20. Sensor ifølge krav 19, karakterisert ved at monteringsanordningen omfatter :en eller-flere sokkel-' elementer for befestigelse av monteringsanordningen til substrat-overf laten ,. hvilke sokkel-elementer er symmetrisk plassert om nodalaksen..

.21. Sensor . ifølge kray 19, karakterisert , ved at vibrasjonselementene omfatter piezoelektriske bender.-kry stall-.elementer, og .at monteringsanordningen omfatter første og andre elektroder med slik form at de samvirker, med og under-støttende ligger an mot motstående flater på krystall-elementene.

' ■ • ' ■ o

22. Sensor ifølge krav 21, karakterisert ved at drivano-rdningene omfatter til dels første og andre elektroder, og videre innbefatter loddede forbindelser mellom el ek'-trbdene og krystall-elementene.

23'. Sensor ifølge krav 21, karakterisert ved at den første elektrode omfatter en U-formet mottagerdel, .. og.hvor den andre elektrode er tildannet' for samvirkende å passe inri i. den. U-formede- mottagerdel på slik måte at krystall-elementene blir beliggende mellom den andre elektrode og motstå

ende deler av sideveggene hos den .U-formede mottageren.

24.. Sensor ifølge krav 19, karakterisert ved a-t den inkluderer en avfølingsanordning for deteksjon av bevegelse av i det minste et av vibrasjonselementene i en retning vinkelrett på det plan nevnte ene vibrasjbnselement beveger seg i. under første vibrasjonsmodus .

25. Sensor ifølge krav 24, karakterisert ved at sensoranordningen omfatter en piezoelektrisk-benderkry-

. stall som er understøttet av.og beveger s.eg sammen -med vibras jonselementet. '

26. Sensor ifølge krav 24 , karakterisert ved at sensoranordningen omfatter et elektromagnetisk følsomt sensorelernent. \

27. Sensor ifølge, krav -19, karakterisert ved at settet med vibras jonselementer o.mfatter et sett rtied magnetisk følsomme armer, og at drivanordningene. omfatter en ■ elektromagnetisk drivkonstruksjon.

28. Sensor ifølge krav 27, karakterisert ved' sensoranordninge.r for avføling av bevegelse av i det minste et av vibrasjonselementene i en retning vinkelrett på det plan.ne <v> nte ene vibrasjonselement beveger seg. i under den første vibrasjons.modus.

.29' . Sensor ifølge krav 28 , karakterisert ved at det ene vibras jonselement-. strekker seg fra monteringsanordningen til en fri ende, at sensoranordningen- omfatter en elektromagnetisk sensor-kjerne hvor det er dannet en spalte hvor det vanligvis er opprettet magnetiske fluks-linjer, og hvor den frie ende av det ene vibrasjonselement rager inn i denne spalte, og hvorved bevegelse av den frie ende inne i spalten i en retning som- forstyrrer' de etablerte, magnetiske flukslinjene, detekteres av-den elektromagnetiske kjernen.

30'. Sensor ifølge krav 19,. karakterisert ved at vibrasjonsstivheten til materialet som utgjør monteringsanordningen overskrider stivheten til materialet i' vibrasjons-

- elementene.

31. Sensor ifølge krav 30, karakterisert ved at vibrasjonsstivheten. til monteringsanordningens materiale i hovedsak overskrider stivheten til vibrasjonseleméntene.

•32. Sensor ifølge krav 29, karakterisert ved at den elektromagnetiske sensor-kjernen inkluderer innret-ninger for rotasjonsmessig innretting av spalten i kjernen relativt til -nodalaksen for. å kompensere for innrettingsfeil mellom vibrasjonselementene.