TW486561B - Gyroscopic sensor - Google Patents

Description

486561 7185pif.doc/008 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（f ) 本發明是有關於一種精準感測技術，且特別是有關於 一種陀螺感測器，其包括： 一個組合於探測電極與激發電極的靈敏要件， 一些特別銜接於上述電極之導熱桿， 一個用於保護的盒子，把靈敏要件及電極關起來，且 對導熱桿而言，它具有穿牆套管， 一些放置於靈敏要件與電極之間，另一方面是與保護 盒之間的支撐措施。 爲了獲得良好的試驗結果，陀螺感測器要求的是一些 具有精確幾何學的組合零件，及一些極精確的裝配；此由 極微小的尺寸公差和極少量的游隙來表示。 不過，在這些組合零件中，至少有部分可以用不同的 材料來實現，這些材料能表現非常不同的熱膨脹係數。結 果得到一些値得注意的難題是要在周圍可變化的熱狀態中 確保維持陀螺感測器被要求的試驗結果。要求裝配是適合 讓組合零件膨脹，此須要完全遵守游隙、間隙或空隙的精 確値，或是遵守組合零件可接受之應力的有限値。 此外，陀螺感測器的靈敏要件是一非常脆弱及易於受 機械衝擊的機件’期望它能經得起面對機械的衝擊。 這些所遇到的難題，例如針對陀螺感測器而言，其中 的靈敏要件是一個擁有一或數條分支的石英共振器’和其 中的探測電極與激發電極都直接放在些分支之上的鍍金屬 物。在這些實施的類型中，我們利用石英的電壓特性，來 實現探測和激發的功用。 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗0 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 t· 486561 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7185pif.doc/008 五、發明說明（V ) 這種以鐘形或帽狀拱頂形共振器的陀螺感測器中，所 有遇到的特殊難題，目前有較大的進展。這種共振器的類 型中，鐘形或帽狀拱頂型的共振器邊緣，依照振動模式被 激起徑向及切向組合零件的變形，且同樣表現出平行於共 振器軸之組合移動。了解到像這樣的陀螺感測器可探測共 振器邊緣之徑向移動。 在此情形下，共振器之鐘形或帽形，至少罩住部份帶 電極的薄板。例如參照美國專利U.S. 4,951，508及陀螺感 測器，在陀螺感測器中可探測共振器邊緣軸向振動。在此 情況中，帶電極的薄板面向共振器之鐘形或帽形之邊緣， 例如參照法國專利FR 99 05204。 最初，已知的此類型共振器擁有的直徑大約是60mm， 但對高性能的空間運用而言，現在的共振器之尺寸可歸倂 爲約30mm。 針對較低性能的運用，愈來愈考慮使用鐘形共振器的 陀螺感測器，和使用成本低許多的產品，像是戰術飛彈的 操縱等。這些運用特點是經常需要放置感測器（陀螺儀及 測速器）在極小的體積中，且有嚴格的力學與熱學的環境。 振動陀螺儀對這類的運用有良好的品質，少量的零件數與 內在的堅固耐用。 鐘形共振器之陀螺儀性能的秘訣要件是在獲得之共振 器的過電壓，此經由二氧化矽（Si02)的使用以組成振動 的鐘。今天，二氧化矽是唯一擁有共振器實施之必要特性 的材料，它具有的過電壓大約的數字超過好幾個1〇6。 5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNSM4規袼⑵0 X 297公釐） ' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

486561 7l85pif.doc/008 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五^發明說明（、） 相反地，有利於陀螺儀性能穩定性的二氧化矽有一種 專屬的特性是會對實施產生難題：其膨脹係數非常微小’ 大約是〇.5Ppm/°C。然而，陀螺儀皆固定在金屬材料的中 心，通常是用膨脹係數爲23ppm/°C的銘。因此，必須利用 特殊的結構形狀以確保中心的金屬材料與二氧化矽之間的 轉換，以致溫度的變化不足干擾陀螺儀的蓮轉。 共振器的操作是以靜電的方式來實施，而探測過程是 電容量的方式。對於良好效能而言，這是必須實施微小的 空隙（幾十個V m)。非常重要的是要限制因材料與零件 變形之間差別膨脹所引起之空隙變化。照例，這致使裝配 的利用能ί維有自由度階段（例如在平面上滑行如同在文件 US 4 9S1 508中的裝置一樣）或是擁有具彈性的零件。 爲了考慮鐘形共振器實行操作之新應用，環境的要求 也越來越嚴格··溫度範圍自-40°C至90°C，遵循引起幾百 個g之加速度的衝擊。再者，可自由使用的空間越來越微 小，（對目前已知的運用來說）這使得傾向於鐘形之共振 器擁有的直徑更爲縮小，縮小爲大約20mm。 照這樣情形來看，傳統的解決方法已不再適用。 因此，此項發明的目的是提供陀螺感測器新的結構形 狀，尤其是屬於鐘形共振器之陀螺感測器，它可確保在熱 (能）且/或嚴格機械的環境中陀螺儀靈敏要件之體積大 小穩定性，尤其是它能利用由實驗獲得之小直徑鐘形共振 器。 〆、 爲此目的，如則固所提示符合此項發明之陀螺感測器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} § 裝

本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格公£ 486561 A7 B7 7l85pif.doc/008 五、發明說明（0) 的特徵是上述的支撐措施皆由有彈性可變形的導熱桿本身 所組成，它們皆是有彈性可變形。 此外，有關鐘形或是帽形的陀螺感測器，依據此發明 它包括： 一^個鐘形或是帽形之共振器擁有一固定軸， 一個具有上述探測與激發電極之帶電極零件，它與共 振器合作且藉由固定軸支撐著共振器。 本發明另外又提供一種陀螺感測器，其包括： 一個組合於探測電極與激發電極的靈敏要件， 一些特別銜接於上述電極之導熱桿， 一個用於保護的盒子，把靈敏要件及電極關起來，且 對導熱桿而言，它具有穿牆套管， 一些放置於靈敏要件與電極之間，另一方面是與保護 盒之間的支撐措施。 上述共振器與帶電極零件置於保護盒子將中，且上述 形成支撐措施的導電桿被放置在帶電極零件與保護盒子之 間。 幸而有這樣的安排，支撐表面的機械裝配一在外狀態 的影響下（溫度、振動……）它易於彼此對抗摩擦，且易 於引起會損壞共振器過電壓及陀螺儀精密度之能量的耗 散一它已存在，且其存在是以必要的方式爲了共振器之電 的連接。 然而，移轉至導熱桿之作用的二元性能消除陀螺儀正 確運轉之干擾原因，及能因往後多餘機件的刪除而得到一 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2】〇 X 297公爱） <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · ϋ fl— ϋ ·ϋ n ϋ tmmw^dJi n ϋ ϋ 1__1 -1 ϋ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 486561 A7 B7 I85pif.doc/〇〇8 五、發明說明（s) 些空位，因而能允許實施較微小直徑的裝置，及能減少裝 置之單一成本。 最佳的情況是在鐘形共振器的情形中，銜接於電極之 導電桿是呈對稱與環繞在共振器的周圍。 在相同的情況中，感測器可包括對稱分布共振器主軸 附近的三根導熱桿，其中一根導熱桿銜接於在帶電極薄板 上預先考慮到的防衛環，另一根導熱桿連接於共振器之鍍 金屬物；至於第三根導熱桿無其他使用，只是存在與提供 作爲帶電極薄板之支撐，就陀螺儀保護盒而言，它的存在 可避免帶電極薄板的傾斜度。 在特殊的實施方式中，保護盒包含一個金屬基部與一 個連接於此之防護罩；對導熱桿而言，基部具備有上述之 穿牆套管。 總結來說符合此項發明之合適的設計導引起以下幾項 優點： 1.陀螺儀的靈敏要件所懸吊之線路佈置，有易於接配 之供應中斷與平行於陀螺儀靈敏軸之移轉動作的可能性， 此軸沒有不利於陀螺儀精密度的傾斜。 2·線路佈置允許和軸向激發共振器一樣之徑向探測共 振器之使用。 3·機械與電的連接由一些相同的要件來實施，這有助 於簡化線路佈置與降低成本。 4.在導熱桿中因溫度或衝擊因素而有變形，沒有反射 在用於共振器操作的空隙之上。 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 486561 7185pif·doc/0〇8 A7 B7 五、發明說明（c) 5.實施於陀螺儀支撐中相同材料的陀螺儀基部，消除 了陀螺儀在固定中因溫度所帶來的應力。 此結構形狀非常適合於陀螺儀的實施，尤其是對微小 體積之鐘形共振器，可被使用在嚴格的熱與機械的環境 中。它同樣可使用在較大體積的陀螺儀上，配合較不嚴格 的環境，而其差別膨脹會更加造成損失。 爲讓本發明之上述目的、特徵〔和優點能更明顯易懂， 下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 下： 第1圖是依照本發明而裝配之鐘形共振器之陀螺感測 器實施方法的一側剖面示意圖； 第2圖是依照本發明而裝配之鐘形共振器之陀螺感測 器的另一種實施方法的一側剖面示意圖； 第3圖是第2圖之共振器帶電極薄片之上面示意圖； 第4圖及第5圖是局部示意圖以表示吸取一些變形應 力而裝配之陀螺感測器的導熱桿電容量；以及 第6圖是局部示意圖以表示圖1與圖2之陀螺感測器 .一部分實施方法之不同。 標號說明： 1 ： 共振器 2： 帶電極零件 3 ： 基部 4 ： 防護罩 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） ;«裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

486561 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 718 5pi f . doc /0 0 8 __ __B7_-_ ----- 五、發明說明（7 ) 5 : 固定軸 6 : 導電組件 7 : 穿牆套管 8 : 激發電極 9: 衛環組件（Guard Ring) 10，11: 環形物 12 : 焊接點 實施例 接下來的描述特別與鐘形或帽狀拱頂形共振^ 感測器有關，因爲此發明的設計在此類型的陀螺胃胃 有一項特別有趣的應用，尤其是對配備有小直徑的辰^ 類型，然而對靈敏要件的支撐物而言，這些設計同樣適用 於所有類型之陀螺感測器。 首先是有關於圖1與圖2，鐘形或帽狀拱頂形共振器 之陀螺感測器有四個主要的要件： 一個鐘形或帽狀拱頂形之共振器1，它尤其是像圖中 所繪的半球形形狀，爲了固定而擁有五個軸； 一個共振器操作所必須的帶電極零件，如後所述之帶 電極2中同樣擊住共振器1之固定軸（在圖1與圖2中， 電極是不可見的）； 一個基部3能固定陀螺儀於支撐物上；和 一個防護罩4。 共振器1與帶電極零件2爲確保空隙的穩定性皆用二 10 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i 裝 »-

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 486561 A7 7185pif-doc/008 五、發明說明（^ ) 氧化砂來貫現’對共振器而言，二氧化砂是不種被強制的 材料。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 帶電極零件2能有不同的外形。它可以是半球形的，如 圖1所示，有一些放置在共振器內側面的電極，它也可以 是平面的，如圖2所示，有一些放置在面對共振器側面的 電極。 共振器1與帶電極零件2連接是爲形成陀螺儀之靈敏 要件。在這兩個零件中，空隙只有幾十個# m。這一部份 幸而有一些支撐措施，得以機械式的方法固定在基部3。 其次防護罩4的位置安排能讓共振器在第二次的真空下運 轉。電組件6位於陀螺儀外部，且在電極與電子技術操作 之間實施。這些組件穿過在基部3中的密封電動的穿牆套 管7。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一般說來，基部3是金屬材質，具有的膨脹係數可以 是接近二氧化矽的膨脹係數，或是接近被固定在陀螺儀上 之支撐材料的膨脹係數。在所有的情況中，基部3與零件 之間能有差異的膨脹，而此零件被接合於基部3。必要的 是由此差異膨脹所產生的應力不會干擾共振器/帶電極零 件的裝配，或是根據溫度而製造空隙的變化，或是在二氧 化矽中產生太高的應力。相對於金屬材質的穩定性，二氧 化矽拉應力的穩定性是非常弱的。 爲了實施不同組合零件的裝配，上述的支撐措施是由 前面所提到過的電組件1 6所組成。換包話說，上述之組合 零件機械式地兩個兩個聯結在一起，而電組件6用來支撐 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 486561 A7 B7 185pif.doc/008 五、發明說明（q) 共振器i與帶電極零件2，整體由基部3所形成，而基部 3與防護罩4則連成一體。 __I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如圖3所示，帶電極零件擁有許多電極（例如圖所表 示的8)，它由極濃密之金屬沈澱所組成，放置於共振器 相對的位置上而得以操作。在圖1之共振器情況中，電極 利用共振器之徑向變形。在圖2之共振器情況中，電極則 利用共振器之軸向變形。這兩種變形可利用相同的振動方 式。因爲有二氧化矽的使用，如此組成之靈敏要件的總重 量只有幾克。 參考圖1，2及3陀螺儀之基部3是一種環形零件，它 具有1個密封的穿牆套管7,透過這些套管安置導電桿以 固定上述之電組件6。電組件6包括： 八根桿子6a (如圖1，圖2所示）用來傳導由帶電極 零件2之電極8所傳出來的信號， • 桿子6b (圖1，圖2並無顯示）是用來區分電極之防 衛環組件(Guard Ring) 9之固定， 桿子6c (沒有顯示在圖中）是使共振器鍍金屬過程之 取繫固定， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 最後一根桿子6d，沒有電性連接的要求，只用來確定 帶電極零件方位的穩定性。 連結於電極8之八根桿子6a皆安置於環形物10之上。 輔助之三根桿子6b，6c，6d被放置在朝（環形物11 )的 中心。原先8根桿子的內側，與等邊三角形的頂點。 每個密封的絕緣套管7以慣用的方法在帶有玻璃的金 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 486561 7l85pif.d〇c/008 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（（D) 屬桿子6之基部3中，經由密封實施。基部3的實施是用 與固定在陀螺儀上支撐措施相同的材料° 11根金屬桿子ό的末端都是以銅焊的方式（在12處） 固定在帶電極零件2，且在二氧化砂上金屬沈澱實施。如 此我們獲得在帶電極零件2的樁基上一種安裝的等同物。 相對於基部3，帶電極零件2允許此零件之平行移轉。此 種移轉是經由金屬桿ό之自由部分的變形，在平行平基部 3位置之加速度或衝擊的情況中，我們獲得如圖4所表示 的變形。在熱膨脹的情況中，變形的狀態如圖5所顯示的 樣子。 在改變電組件6的金屬桿之自由部分的直徑與長度的 同時，可以仔細地調整支撐的柔軟度，以期能使變形局限 於金屬桿內，及限制帶電極零件2之應力的傳導，這不論 是在機械衝擊的影響下或是在熱膨脹的影響下。控制金屬 銲的長度與直徑是此控制一個可能有相同硬度之連續零件 的厚度來得容易。 如此一來，共振器1與帶電極零件2組成一個堅硬的 整體，隔離於由金屬桿6所實現之懸吊的外部。此懸吊的 固有頻率可能介於共振器1的外在振動的最大頻率與運轉 的名義頻率之間，這將能過濾由共振器移轉而來的干擾。 同樣地，在共振器動力平衡失調的情形下，這種懸吊將能 過濾朝向外部之能量移轉。 在這兒所提供的圖解並非限制性的。在金屬桿6與_ 電極零件2之的組件，可以用不同的方式來實施，例如用 Λ -11 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂··

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) 486561 A7 B7 7185pif.doc/008 五、發明說明（' ) 銅銲或是用導電黏貼。也可以用居間插入連接點I2，例如 用如圖6所示固定在用二氧化矽材質零件中的因瓦合金。 根據電極之間所實施的電極或是內部組件的數量，金 屬桿的數量是可變化的。只需要盡可能遵循完整的對稱， 以期避免相對於基部之靈敏要件的搖擺，及確保一種平行 的移轉，這些保持了陀螺儀進入軸（測量軸）之轉向系統， 且不會引起屬於偏航來源的錐形運動。 在此項發明的範圍，內金屬桿6應該是此一種材料或 是一組材料組成的，它不僅對確保導電體作用來說是良好 的導電體，也是具有良好的彈性係數，以便於在要求的狀 態中確保機械支撐作用。這些例如用鎳鐵合金做成的或是 用鈷鐵合金做成的桿子（如由Vacuumschelze GmbH公司 以VACON CF25爲商標所產生的商品）正符合此雙重要 求。 .1裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗〇 X 297公釐）

Claims (1)

1. 486561 7 1 85pifl/013 A8 B8 C8 D8 丨補夷 £.—仍 ‘ jy , 陶91年2月8 hh 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 爲第90103211號申請東専利範圍修Ϊ&卞---- 申請專利範圍 1. 一種陀螺感測器，包括 一靈敏要件，組合於一探電極與激發電極； 複數個導電桿，用以銜接於該電極； 一保護盒，用於置放保護該靈敏要件及該電極，且對 於每一該些導電桿也具有一穿牆套管； 複數個支撐措施，放置於該靈敏要件與該電極之間， 另外也用於與該保護盒之間的支撐功能，其中該些支撐措 施由有彈性可變形的該些導電桿本身所組成。 2·如申請專利範圍第1項所述之陀螺感測器，更包括： 鐘形或帽形之一共振器’具有一固定軸，其中該共振 器之形狀爲一鐘形與一帽形二者其一；以及 一具有該探測與激發電極之一帶電極零件，其與該共 振器組合一起，且藉由該固定軸支撐著該共振器， 其中該保護盒將該共振器與該帶電極零件包覆起來， 且和該些支撐措施的該導電桿’被放置於該帶電極零件與 該保護盒之間。 3. 如申請專利範圍第2項所述之陀螺感測器’其中銜 接於該電極之該些導電桿是呈對稱與環繞在該共振器之該 固定軸周圍。 4. 如申請專利範園第2項所述之陀螺感測器，更包括 有三根導電桿，分別對稱分佈在該共振器之該固定軸附 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇x297公釐） ^ ---费II (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 486561 7185pifl/〇13 A8 B8 C8 D8 κτιπ 申請專利範圍 近，該三根導電桿之一第一桿，銜接於一防衛環 環位於該帶電極零件上該三根導電桿之一第二# 於該共振器之一鍍金屬物。 該防衛 則連接 5.如申請專利範圍第1項所沭之陀螺感泪丨丨器，其中該 保護盒包含一金屬基部與連接於該金屬基部之一防護罩， 且該基部對該些導電桿而言具有該穿牆套管。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）