SE466817B - Foer gyro avsett sensorelement - Google Patents

Description

466 817 2- med höga utskjutningshastigheter. Gyrot måste medge en robust upp- byggnad där gyrot och dess sensorelement kan tilldelas låg egenvikt i förhållande till resp konstruktions vekaste punkt. Det är väsentligt i anslutning till ammunitionsenheter att gyrot kan ge utsignal även under accelerationslasterna. Krav på små yttre volymer föreligger också ofta.

LÖSNINGEN Föreliggande uppfinning har som huvudändamàl att föreslå ett sensor- element för gyro som möjliggör en lösning på det problem som angivits ovan. Det som därvid huvudsakligen kan anses vara kännetecknande för den nya anordningen framgår av den kännetecknande delen i det efter- följande kravet 1.

Det nya sensorelementet utföres företrädesvis som en stämgaffel i kvartskristall. Stämgaffelns bas är fast inspänd, medan stämgaffelns skänklar tillåts vibrera fritt. Pâ kristallen finns anbragta driv- elektroder som förorsakar att kristallens skänklar vibrerar i önskade riktningar, med hjälp av den piezoelektriska effekten. Från kristal- lens bas finns det möjlighet att ansluta ledare (t ex med hjälp av bondning eller av TAB), och i och med detta få kontakt med den omgivande elektroniken.

Sensorelementet har en utformning som möjliggör framställning enligt konventionell teknik vid kvartsoscillatortillverkning. Resonansfrek- venserna för sensorelementets skänklar kan justeras genom att man belägger olika delar av skänklarna med massa, t ex guld. Alternativt kan borttagning av massa utnyttjas, varvid borttagning lämpligast utförs med hjälp av laser. Monteringen av kristallen i sin tillhöran- de hållare kan ske enligt känd teknik och då förslagsvis med hjälp av lim.

Elektroniken som hör till det i ovan angivna sensorelementet placeras företrädesvis så nära sensorelementet som möjligt, eftersom en kvartskristall är mycket känslig för kapacitiva störningar. En hybridelektronik är därvid att föredra, vilket möjliggör att gyrots 3' 466 217 volym kan hàllas på ett minimum. Sensorelementets storlek kommer inte att behöva bli större än en normal eller konventionell klockkristall.

Huvuddelen av volymen kommer att upptas av eletroniken, även om denna är hybridiserad.

FÖRDELAR Utöver att de i ovan angivna problemen erhåller sin lösning kan det nya sensorelementet för gyro tillverkas i ekonomiskt fördelaktiga tillverkningsprocesser. Gyrot som sådant blir mycket funktionsdugligt och robust genom att det kommer att tàla bl a höga accelerationskraf- ter.

En för närvarande föreslagen utföringsform av ett sensorelement som uppvisar de för uppfinningen signifikativa kännetecknen skall beskri- vas i nedanstående under samtidig hänvisning till bifogade ritning där figur l i horisontalvy visar ett stämgaffelformat sensor- element, figur la visar orienteringsaxlarna X, Y och Z för elementet enligt figuren 1, figur 2 i sidovy visar stämgaffeln enligt figuren 1, figur 2a visar orienteringspilar för nämnda X, Y och Z- axlar, figur 3 i vertikalvy visar utformningen på den ena gaf- feln i stämgaffeln enligt figuren 1, figur 4 i perspektiv visar exempel på en gaffeluppbyggnad där driv- och sensorelektrodernas placeringar pà den ena gaffeln illustrerats, figur 4a i principschemaform visar de piezoelektriska fenomenen som uppträder i en skänkel vid aktivering av drivelektroderna enligt figuren 4, 466 817 4- figur 4b i principschemaform visar de piezoelektriska fenomenen för sensor- eller avkänningselektroderna på skänkeln, figur 5-7 visar en praktisk utformning på driv- och sensor- elektroderna, figur 8-10 visar en i förhållande till figurerna 5-7 alternativ utföringsform av elektrodapplice- ringarna, och figur ll-12 visar ytterligare en utföringsform av elektrod- appliceringen.

BÄSTA UTFÖRINGSFORMEN I figuren 1 visas den principiella uppbyggnaden (geometrin) för ett sensorelement l. Elementet innefattar tvâ skänklar 2, 3. Skänklarnas tvärsnittsarea är i detta fall konstant längs skänklarnas hela längd.

Det är emellertid även möjligt att utforma skänklarna med varierande tvärsnittsarea. Skänklarna är fast anordnade i stämgaffelns bas 4.

Denna utgörs till största delen av en rektangulär struktur. Hela sensorelementet med skänklarna 2, 3 och basen 4 är framtaget ur ett enda piezoelektriskt stycke. Förslagsvis utnyttjas känd kvarts- kristallteknologi vid framtagningen, vilket medför att stämgaffeln ges en konstant tjocklek för báde skänklarna och basen enligt figu- rerna 2 och 3. På basen kan anordnas inbuktningar 5, 6 eller utbukt- ningar för ernående av vibrationsisolering av infästningsytorna från skänklarnas vibrationer.

Kristallografiskt är det att föredra att skänklarna pekar i den n piezoelektriska mekaniska axeln, y-axeln i figuren la. Stämgaffelns tjocklek skall sträcka sig i den optiska axeln, som utgör Z-axeln i ~ figurerna la och 2a. Skänklarnas bredd befinner sig då i den elekt- riska riktningen, X-axeln i figurerna la och 2a. X- och Z-axlarna kan också byta plats, men i fortsättningen antages att stämgaffeln ligger i XY-planet. Smärre variationer i snittvinkel och stämgaffel- Z orientering kan vara att föredra, för att t ex påverka temperatur- egenskaper och mekanisk koppling mellan stämgaffelns egenmoder. 5- 466 817 Stämgaffeln beläggs med en lämpligt vald elektrodkonfiguration för att möjliggöra excitering av en vibration av skänklar i XY-planet.

Sensorelektroder för att avkänna en skänkelvibration i YZ-planet skall också finnas pà skänklarna. På kristallens bas är anordnade utgàngsöar/kontaktmaterial som utnyttjas för att få elektrisk kontakt med omgivningen. Elektroderna och dessa utgángsöar förbinds med hjälp av ledare infästa pá stämgaffeln. Appliceringen av elektroderna, ledarna och utgángsöarna kan ske med känd teknologi från kvartstill- verkningen. Kristallen monteras via en infästningsdel 7 på en fäst- anordning 8, förslagsvis genom limning. Givetvis kan fästanordningen fastgöras pà andra sätt än limning. Den del av stämgaffelns bas som är motriktad skänklarna används förslagsvis som limyta. Alternativt skulle basens sidor kunna användas som limytor. Utgángsöarna förbinds elektriskt med omgivningen med hjälp av bondning, TAB (Tape Aided Bonding), ledande lim eller motsvarande. Det kan vare en fördel vid den elektriska förbindningen om samtliga utgángsöar befinner sig på ena sidan av basen. Ett alternativt sätt att montera kristallen på är att klämma fast infästningsdelen av basen mellan två skivor.

Basens utformning väljes företrädesvis på sådant sätt att skänklarnas vibrationer inte påverkar den del av basen som utnyttjas för infäst- ning. T ex skall utgángsöarna placeras pá eller i närheten av den del av basen som utnyttjas för infästningen, för att inte bondtrâdar, m m, skall ha en dämpande inverkan pá skänklarnas rörelser. Om basen skulle delta i skänklarnas vibration i en allt för stor utsträckning finns det risk för energiförluster inom infästningen, liksom också att externa vibrationer lätt skulle kunna ta sig in till skänklarna och därigenom förorsaka en falsk gyrosignal.

För att minimera omgivande vibrationers inverkan på stämgaffelns vibration, och då speciellt på utsignalen, är det av stor vikt att stämgaffeln och dess infästning utformas så symmetriskt som möjligt.

Utsignalen från sensorelementet eller sensorn kommer från följande fysikaliska fenomen; Med hjälp av lämplig elektronik och elektrod- mönster alstras en vibration, hos skänklarna, i XY-planet. Denna vibrations amplitud hålls konstant. Dess frekvens väljs så att skänklarnas resonans utnyttjas. Den resonansfrekvens som väljs medför 466 817 6- att skänklarna svänger i antifas, d v s skänklarnas ändpunkter rör sig mot varandra under halva periodtiden och från varandra under den andra. Då stämgaffeln roteras kring y-axeln kommer corioliskrafter att uppträda, som alstrar en drivande kraft som vill exitera en vibration i YZ-planet. Den vibration som alstras i YZ-planet kommer att ha en amplitud som är direkt proportionell mot pálagd rotationshastighet. Skänklarna kommer i denna vibration att, precis som vid vibrationen i XY-planet, att röra sig i motfas till varandra.

Den resulterande vibrationen i YZ-planet detekteras med hjälp av elektroder som är känsliga för töjningar i detta plan. Genom signalbehandling och demodulering kommer en DC-signal, vars storlek är direkt proportionell mot pálagd rotation, att erhållas.

Alternativt kan den resulterande vibrationen detekteras elektrostatiskt.

För att erhålla en stark utsignal är det av stor vikt att välja resonansfrekvenserna för de två vibrationerna nästan identiska till varandra. Anledningen är att om resonansfrekvenserna överensstämmer skulle temperaturvariationer medföra att resonansfrekvenserna driver ifrån varandra något. Dessa variationer är små, men tillräckliga för att ändra fasen hos sensorvíbrationen på ett oacceptabelt sätt. Detta kan avhjälpas genom att låta frekvenserna vara åtskilda så mycket att temperturvariationer inte påverkar sensorvibrationens fas nämnvärt.

Tillverkningsonoggrannheten för skänklarna ger en onoggrannhet hos resonansfrekvenserna som är större än önskad frekvensskillnad mellan de två utnyttjade resonansfrekvenserna. Det kommer således att vara motiverat att justera resonansfrekvenserna så att önskad frekvens- skillnad erhålls. Denna justering kan utföras genom att massa läggs på eller tas bort från lämpligt valda punkter på skänklarna. Tekniken för att utföra sådan masspåläggning resp massborttagning får anses känd, av den som är insatt i området. Eftersom frekvensskillnaden f skall justeras skall denna balansering helst endast påverka den ena av de två resonsfrekvenserna. Massa kan t ex läggas på där en av - resonansfrekvensernas vibration har en nod. Eftersom vibrationen ut ur planet påverkar stämgaffelns bas mer än vad vibrationen i XY-pla- net gör är, ur denna synvinkel, ett lämpligt område övergången bas-skänkel. Vid denna balansering skall massa läggas på symmetriskt på skänklarna för att inte obalans skall uppstå. 7' 466 817 De elektroder 9, 10, 11 och 12 som utnyttjas för att få kristallens skänklar att vibrera i XY-planet förbinds med lämplig drivelektronik.

Denna elektronik lägger en sinusformad elektrisk matningsspänning över drivelektroderna. Elektroniken avstäms mot kristallen så att signalens frekvens överensstämmer med lämplig resonansfrekvens. Denna signal alstrar ett fält 13 i skänklarnas tvärsnittsarea. Ett förslag på elektrodkonfiguration, för denna vibration, finns uppritad i figur 4a. Eftersom ett piezoelektriskt material av typen kvarts är okäns- ligt för fält i Z-led kan det alstrade fältet vid ovanstående elekt- rodkonfiguration anses vara ekvivalent med ett elektriskt fält 15, 16 illustrerat i tvärsnittet 14. Detta senare fält alstrar en töjning i Y-led i skänkelns ena del och en krympning i den andra. Skänkeln kommer då att vilja böja sig i XY-planet. Eftersom den elektriska matningsspänningen är tidsberoende kommer fältet i kristallens tvärsnitt också att vara tidsberoende, och därmed stämgaffelns skänklars rörelse. Vibrationen i XY-planet alstras pá detta sätt.

På motsvarande sätt som för Vibrationen i XY-planet kan en elektrod- konfiguration 17, 18, 19 och 20 utnyttjas som bara är känslig för vibrationer ut ur stämgaffelns plan. Dessa elektroder 17-20 utnyttjas för att känna av en tidsvarierande utböjning i denna vibrationsrikt- ning. Då vibration föreligger kommer den piezoelektriska kristall- strukturen att deformeras. Detta leder till att yt- och volymladd- ningar alstras. Dessa laddningar kommer, tillsammans med elektroder- na, att skapa en fältbild 21 i tvärsnittet 22. Denna fältbild får elektroner att röra sig till och från elektroderna. En ström, vars storlek beror av aktuell vibrationsamplitud i YZ-planet, skapas således.

Den visade elektrodkonfigurationen utgör endast ett exempel. Andra elektrodkonfigurationer än dem i ovan angivna kan utnyttjas för att erhålla önskad funktion.

Dá kristallen monteras kommer det, på grund av ofullkomligheter i tillverkningen, att finnas en koppling mellan de två vibrationsrikt- ningarna. Detta leder till att en utsignal föreligger från sensor- elektroderna även om sensorn inte utsätts för någon rotation. Denna överhörning är oönskad eftersom den försämrar prestandan för gyrot 466 817 8' (t ex i temperaturavseende). Ett sätt att bli av med denna koppling mellan de två vibrationsriktningarna är att balansera en av skänk- larna på ett sådant sätt att skänklarna får identiska vibrations- egenskaper. Denna balansering sker förslagsvis på skänklarna i 'J områdena B eller B' i figur 1. f» För att sensorn skall tåla mycket kraftiga mekaniska påkänningar, typ kraftiga accelerationer, måste strukturen göras robust. Strukturen får således inte innehålla några veka detaljer. Alla onödiga delar av strukturen bör plockas bort. De delar som måste finnas med är skänk- larna, för att kunna alstra den referensvibration (i XY-planet) som orsakar corioliskraften. Dessa skänklar måste fästas någonstans.

Sensorns bas är således också nödvändig. Denna vibration som corioliskraften alstrar måste också kännas av. Detta kan ske genom att en mekanisk del integreras med sensorn (torsionsavkänning).

Eftersom antalet delar hos sensorn skall hållas på ett minimum är det dock att föredra om avkänningen av vibrationen huvudsakligen kan ske ute på de skänklar som utnyttjas för att alstra referensvibrationer, i de områden där den mekaniska påfrestningen, orsakad av sensorvibra- tionen, är störst.

För att kunna utnyttja skänklarna för både drivning och avkänning krävs det att båda de elektroduppsättningar som erfordras för dessa två vibrationer delar utrymmet på skänklarna. Elektroderna måste då optimeras för det tillgängliga utrymmet. Elektroder långt ut på skänklarna har en låg verkningsgrad, medan elektroder längre in på skänklarna har en större verkningsgrad. Om drivelektroderna och sensorelektroderna täcker identiska områden, kommer prestanda för den elektrodkonfiguration som utnyttjas i drivled att vara bättre. Om bra prestanda önskas hos de elektroder som utnyttjas för den elektriska drivningen, för att förenkla kraven som ställs på drivelektroniken, , skall dessa elektroder placeras nära övergången bas-skänkel. Om prestanda för de tvà elektrodkonfigurationerna inte önskas avvika . alltför mycket från varandra skall sensorelektroderna placeras vid övergången 23, 23' bas-skänkel. Storleken på drivelektroderna väljs 9' 466 81.7 då så att önskad prestanda erhålls, med avseende på elektroniken.

Denna elektrodplacering är att föredra bl a pà grund av att sensor- elektroderna då också kan tillåtas täcka en del av övergången bas-skänkel, och i och med detta utnyttja det faktum att en del 23, 23' av basen faktiskt är vibrationsaktiv under skänklarnas sensorvibration.

Ett elektrodmönster som anknyter till ovanstående uppdelning av skänklarna finns medtaget i figurerna 5, 6 och 7. Detta mönster skall endast ses som ett tänkbart sätt att förverkliga ovanstående tankar.

I figurerna 8, 9 och 10 visas ett motsvarande mönster om driv- och sensorelektroderna byter plats. I de första figurerna 5, 6 och 7 har ledarna placerats ut med tanke på att minimera antalet utgångsöar 24 samt att placera samtliga utgángsöar på ena sidan av stämgaffeln. Då sensorelektroderna placeras närmast basen skall gränsen mellan driv- och sensorelektroderna placeras på avståndet 20%-40% (av skänkelläng- den) från basen. I figurerna 8, 9 och 10 är utgángsöarna (anslutnings- materialet) talrikare.

I figurerna 5, 6 och 7 belägges området 30-80% av skänkellängden räknat från basen, med drivelektroder på skänklarnas samtliga sido- ytor. I figur 5 har två av drivelektroderna indikerats med 25 och 26.

Drivelektroderna är anslutna till kontaktöar 24 via ledare 27. För att minimera störningar till och från ledarna har dessa parats ihop så att störfältet från dem får dipolkaraktär. Sensorelektroderna 28, 29 och 30 är anslutna till sina anslutningsöar via ledare 31. Sensor- elektroderna är anordnade på båda sidor av sensorn. Kontaktöarna kan vara anordnade pâ antingen ena sidan av sensorn eller på sensorns båda sidor.

I figurerna 8-10 är sensorelektroderna 32, 33, 34 och 35 belägna längst ut på skänklarnas fria ändar. Två varandra motstående sidor på skänklarna belägges med sensorelektroder, varav endast den ena sidan är visad i figuren 8. I detta fall är drivelektroderna belägna nedtill på skänklarna och sträcker sig ned över delar av övergångs- delen 23'. I detta fall utnyttjas på varje skänkelyta ett par driv- elektroder 36, 37. Anslutningarna till kontaktöarna 24 sker via ledare 38. Kontaktöarna 24 enligt figuren 8 täcker stora delar av infästningsdelarna på sensorelementet. 466 817 m' I figurerna 11 och 12 visas ytterligare en variant på sensor- och drivelektrodernas placering på stämgaffeln, dels från framsidan, figur 11, och dels från baksidan, figur 12.

I detta fall är drivelektroderna 39, 40, 41 placerade längst ut på skänklarnas fria ändar på fram- och baksidan. Elektroderna 40 och 41 är anordnade som sidoelektroder. Drivelektroderna är förbundna med kontaktöar 42, 43 och 44, varvid "kontaktön" 44 är utformad som en kondensator.

Sensorelektroderna 45, 46, 47 är belägna nedtill på skänklarna och sträcker sig ned över delar av övergángsdelen 23". Sensorelektroder är placerade på såväl fram- som baksidan och förbundna med sina resp. kontaktöar S+, S- via ledare.

Två blindledare 48, 49 för bortkompensering av strökapacitanser är belägna på stämgaffelns framsida och sträcker sig från skänklarna i området mellan driv- och sensorelektroderna till kontaktöar 50, 51 på stämgaffelns bas.

Ovanstående strukturer bygger på den s k tuning-fork-principen. Det finns inget som hindrar att en stämgaffel byggs innehållandes endast en skänkel. Funktionen kommer att vara identisk. Skänklarna kommer även i sådant fall att inkludera elektroder för både drivning och avkänning. Fördelen med en stämgaffel bestående av två skänklar är dock att vibrationerna i de två vibrationsriktningarna är mer loka- liserade till skänklarna, jämfört med om endast en skänkel funnits närvarande. Gyrots påverkan från omgivningen blir således mindre om två skänklar utnyttjas. System med mer än en stämgaffel kan givetvis också konstrueras.

De resonansfrekvenser som utnyttjas är direkt proportionella mot den resulterande hállfastheten hos skänklarna. Den utnyttjade frekvensen får således inte vara för låg. Om en hög resonansfrekvens utnyttjas kommer samtidigt sensorns vibrationskänslighet att minska.

Uppfinningen är inte begränsad till den i ovanstående såsom exempel visade utföringsformen utan kan underkastas modifikationer inom ramen för efterföljande patentkrav och uppfinningstanken. f; ll

Claims (11)

466 817 H PATENTK RAV

1. För gyro avsett sensorelement (1) anordnat med sin första ände fritt vibrerbar i två i förhållande till varandra vinkelräta plan, här benämnda XY-planet och YZ-planet, och med sin andra ände fasthållen i en struktur vridbar kring gyrots längdaxel, som sammanfaller med nämnda plan, varvid den första änden är vibrerbar och vibrationerna avkänningsbara på piezoelektrisk väg medelst driv- respektive sensorelektroder (9-12, 17-20) varvid drivelektrod- erna ger en vibration i ett plan vinkelrätt mot det plan som sensorelektroderna avkänner vibrationer i och att dessa vibrationer är uppkomna genom corioliskrafter som verkar på sensorelementet då det utsättes för vridning runt sin längdaxel, k ä n n e t e c k n a t därav, att sensorelementet består av eller innefattar åtminstone en lângsträckt kropp som i sin andra, fasthållna ände uppvisar ett övergångsparti (23, 23') och en infästningsdel (7) vilka ej på ett väsentligt sätt deltar i vibrationen, att driv- och sensorelektrod- erna belägger väsentliga delar av den långsträckta kroppens första, vibrerbara ände, att sensorelementet medelst ledare är förbundet till på infästningsdelen beläget anslutningsmaterial (24) via vilket anslutning mot yttre elektronik är effektuerbar, och att den långsträckta kroppen tillsammans med övergångspartiet (23) och infästningsdelen (7) är utförda i ett gemensamt stycke i ett piezoelektriskt material, exempelvis kvarts.

2. Sensorelement enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att det innefattar två i en gaffeluppbyggnad ingående långsträckta kroppar.

3. Sensorelement enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att resonansfrekvenserna för de långsträckta kropparna, i fortsättningen benämnda skänklar, är injusterade med hjälp av balansmassa (-or), t ex i guld. 10375 12 .Du O\ O\ OI) ...Jb \J

4. Sensorelement enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att det uppvisar en liten yttre volym, t ex med en total längd av högst ca 6 mm och en maximal tjocklek av högst ca 0,6 mm.

5. Sensorelement enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att övergångspartiet är utfört med in- och/eller utbuktningar (5, 6) som hindrar vibrationsöver- föringar mellan skänklarna och infästningsdelen.

6. Sensorelement enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att respektive långsträckta kropp/skänkel uppbär en drivelektrodkonfiguration som möjliggör exitation av vibrationer av skänklarna i XY-planet och att respek- tive skänkel uppvisar en sensorelektrodkonfiguration som möjliggör avkänning av vibrationer i YZ-planet.

7. Sensorelement enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att kontaktmaterialet/ anslutningsöarna (24) är belägna på infästningsdelen så att yttre anslutningar är förhindrade att utöva dämpande inverkan på vibra- tionerna i respektive kropp/skänkel.

8. Sensorelement enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att stämgaffelns utformning och infästning är symmetrisk för att förhindra omgivande vibration påverka respektive långsträckta kropps/skänkels vibrationer.

9. Sensorelement enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att balanseringen är utförd ytterst på respektive skänkel.

10. Sensorelement enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att balanseringsmassor är anordnade på skänklarna där en av vibrationerna har en nod.

11. Sensorelement enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att i fallet där sensorelektroderna är placerade närmast basen är gränsen mellan driv- och sensor- elektroderna placerade på 20-40% av respektive skänkellängd från basen. 'få 'i I)