振動環(huán)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】描述了一種調(diào)諧振動環(huán)結(jié)構(gòu)的方法，其包括確定位于所述振動環(huán)結(jié)構(gòu)(10)的中性軸上或附近的基本上相同大小的一對微調(diào)孔(16)的角間距，選擇角偏移來將目標(biāo)正交模態(tài)與相對于所述目標(biāo)正交模態(tài)角偏移的另一正交模態(tài)之間的頻率分裂減小至可接受水平，和按所確定角間距在所述振動環(huán)結(jié)構(gòu)(10)中形成微調(diào)孔(16)對。還公開了以此方式予以調(diào)諧或平衡的環(huán)結(jié)構(gòu)，例如陀螺儀。
【專利說明】振動環(huán)結(jié)構(gòu)
[0001]本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)平衡的振動環(huán)結(jié)構(gòu)且涉及一種平衡這樣一種振動環(huán)結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明還涉及一種包括這樣一種振動環(huán)結(jié)構(gòu)的陀螺儀。
[0002]已知其中通過主驅(qū)動構(gòu)件使環(huán)在主彎曲模態(tài)中振動的振動環(huán)陀螺儀。陀螺儀圍繞環(huán)軸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致主彎曲模態(tài)科氏(Cor1lis)耦合至次彎曲模態(tài)中。次模態(tài)中的振動通過次拾取構(gòu)件檢測并且與陀螺儀的旋轉(zhuǎn)相關(guān)。已知其中閉合回路控制用于維持主模態(tài)的特定振幅及取消次模態(tài)兩者的配置。
[0003]cos2 Θ平面內(nèi)彎曲模態(tài)通常用于振動環(huán)陀螺儀中，其中次模態(tài)處于與主模態(tài)的45°角偏移。由完全各向同性材料組成的幾何完美環(huán)將具有主cos2 Θ模態(tài)和次cos2 0模態(tài)，其在頻率上完全匹配且cos2 0模態(tài)因此可在任何任意取向上被激發(fā)。但是，實(shí)際上，環(huán)結(jié)構(gòu)并非幾何完美的且其材料可能并不是各向同性的。
[0004]陀螺儀可例如在與[111]晶體平面(其中平面硅是各向同性的)具有小角偏移下形成于硅中，由此導(dǎo)致圍繞環(huán)的楊氏模量的COS4 0變化。用于形成這樣一種硅陀螺儀的蝕刻過程可經(jīng)歷跨裝置的變化，得到可變溝槽寬度、側(cè)壁輪廓或凹口。環(huán)結(jié)構(gòu)與其所附接的其他組件之間的微分熱膨脹可能導(dǎo)致施加至環(huán)結(jié)構(gòu)的各向異性應(yīng)力。這些缺陷導(dǎo)致整個環(huán)內(nèi)的質(zhì)量和/或剛度分布的變化。這些缺陷將導(dǎo)致固定為特定角度的正交平面內(nèi)cos2 Θ模態(tài)，和另一正交平面內(nèi)cos2 Θ模態(tài)，其與正交模態(tài)成45°角且具有較高固有頻率。
[0005]上文描述的缺陷難以控制，且因此難以確保環(huán)的正交cos2 Θ模態(tài)與主驅(qū)動和次驅(qū)動以及拾取構(gòu)件的對準(zhǔn)重合。雖然由通過主驅(qū)動激發(fā)環(huán)導(dǎo)致的振動是環(huán)的固有模態(tài)的疊加響應(yīng)，但是所得振動易為正交模態(tài)之一的緊密近似。
[0006]下文中提及主響應(yīng)模態(tài)和次響應(yīng)模態(tài)指的是由分別通過主驅(qū)動構(gòu)件或次驅(qū)動構(gòu)件激發(fā)環(huán)產(chǎn)生的振動。
[0007]主驅(qū)動構(gòu)件及次驅(qū)動構(gòu)件與主響應(yīng)模態(tài)及次響應(yīng)模態(tài)之間的這種未對準(zhǔn)導(dǎo)致正交偏置誤差，其可能接著導(dǎo)致速率偏置誤差。這種偏置誤差是陀螺儀性能中的關(guān)鍵性能限制。雖然偏置誤差隨溫度變化，但是確定偏置誤差的主導(dǎo)因素是正交模態(tài)的初始頻率匹配和對準(zhǔn)。此外，主模態(tài)與次模態(tài)之間的科氏耦合在其間的頻率分裂為小時(shí)得以改進(jìn)。因此需要一種調(diào)諧振動環(huán)結(jié)構(gòu)以匹配主模態(tài)頻率和次模態(tài)頻率并且將正交模態(tài)與主驅(qū)動和次驅(qū)動以及傳感構(gòu)件對準(zhǔn)的方法。
[0008]已提出用于調(diào)諧振動環(huán)結(jié)構(gòu)的若干方法。在EP1775551中，公開了一種振動環(huán)陀螺儀，其中電容傳感器用于調(diào)諧環(huán)的模態(tài)。US5739410和GB2460935公開了通過移除或添加材料至環(huán)的中性軸，由此僅修改有效質(zhì)量而調(diào)諧振動環(huán)結(jié)構(gòu)的方法。類似地，“Multimodal Tuning of a Vibrating Ring using Laser Ablat1n，，;Proceeding of theInstitut1n of Mechanical Engineers Part C, Journal of Mechanical EngineeringScience2003-01-01, Gallacher等人描述用于調(diào)諧振動環(huán)結(jié)構(gòu)的激光燒蝕技術(shù)。
[0009]需要實(shí)施簡單且能夠在匹配主模態(tài)頻率和次模態(tài)頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的調(diào)諧振動環(huán)結(jié)構(gòu)的實(shí)用方法。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，提供一種調(diào)諧振動環(huán)結(jié)構(gòu)的方法，其包括確定位于振動環(huán)結(jié)構(gòu)的中性軸上或附近的基本上相同大小的一對微調(diào)孔的角間距，選擇角偏移來將目標(biāo)正交模態(tài)與相對于目標(biāo)正交模態(tài)角偏移的另一正交模態(tài)之間的頻率分裂減小至可接受水平，及按所確定的角間距在振動環(huán)結(jié)構(gòu)中形成微調(diào)孔對。
[0011]這樣一種配置有利于其通過簡單及方便的方式實(shí)現(xiàn)更高準(zhǔn)確度的環(huán)結(jié)構(gòu)平衡。
[0012]微調(diào)孔對被方便地放置為與目標(biāo)正交模態(tài)的的徑向波腹相差基本上相同角偏移。例如，其可圍繞目標(biāo)正交模態(tài)的徑向波腹基本上對稱形成。微調(diào)孔之間的角偏移優(yōu)選地小于45度。
[0013]所述方法方便地結(jié)合粗調(diào)或平衡程序使用。例如，所述方法可包括形成至少一個粗調(diào)孔。粗調(diào)孔優(yōu)選地與微調(diào)孔基本上大小相同。因此，相同設(shè)備可用于形成粗調(diào)孔和微調(diào)孔。調(diào)諧孔方便地通過激光燒蝕形成。
[0014]所述方法方便地用于實(shí)現(xiàn)cos2 Θ模態(tài)的平衡。
[0015]本發(fā)明還涉及使用上文定義的方法調(diào)諧的振動環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種包括環(huán)主體的振動環(huán)結(jié)構(gòu)，其通過位于環(huán)主體的中性軸上或附近的基本上相同大小的一對微調(diào)孔的形成而調(diào)諧，微調(diào)孔定位為相對于彼此角偏移，其被選擇來將環(huán)主體的目標(biāo)正交模態(tài)與另一正交模態(tài)之間的頻率分裂減小至可接收水平，另一正交模態(tài)相對于目標(biāo)正交模態(tài)角偏移。
[0017]振動環(huán)結(jié)構(gòu)可形成陀螺儀的部分。
[0018]將進(jìn)一步舉例來說參考附圖描述本發(fā)明，其中:
[0019]圖1是圖示已應(yīng)用已知平衡技術(shù)的環(huán)結(jié)構(gòu)的圖；
[0020]圖2是示出裝置樣本的溫度范圍內(nèi)的正交偏置的變化的曲線圖；
[0021]圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的平衡技術(shù)應(yīng)用于圖1的環(huán)結(jié)構(gòu)；
[0022]圖4a和圖4b圖示從環(huán)結(jié)構(gòu)上的不同位置移除材料；和
[0023]圖5是圖示從不同位置移除材料的效應(yīng)的曲線圖。
[0024]用于匹配或減小振動環(huán)結(jié)構(gòu)的cos2 Θ模態(tài)之間的頻率分裂的現(xiàn)有激光調(diào)諧或平衡過程包括在具有較低頻率的正交模態(tài)的徑向波腹上或附近將材料從環(huán)的中性軸移除或燒蝕。環(huán)結(jié)構(gòu)包括四個這種徑向波腹，角間距為90度。由于主響應(yīng)模態(tài)和次響應(yīng)模態(tài)的取向和固有頻率近似環(huán)結(jié)構(gòu)的正交模態(tài)，所以兩個正交模態(tài)的取向和頻率可通過分別使用主驅(qū)動構(gòu)件和從驅(qū)動構(gòu)件激發(fā)環(huán)結(jié)構(gòu)而確定。
[0025]可使用針對各激光“束”或其施加移除特定、固定量的材料的脈沖激光。使用恒定激光條件有利于制作，因?yàn)槠浯_保一致的孔輪廓且因此在每個“束”中移除的材料量子是穩(wěn)定且可重復(fù)的。舉例來說，激光可以每“束”改變頻率分裂達(dá)大約0.4Hz的這樣一種方式設(shè)置。
[0026]應(yīng)了解，中性軸上或附近的材料不促進(jìn)任一正交模態(tài)的有效剛度。在目標(biāo)模態(tài)的徑向波腹上移除質(zhì)量因此將減小有效質(zhì)量，增大目標(biāo)模態(tài)的固有頻率，而不顯著影響另一個模態(tài)(其在這個位置上具有徑向節(jié)波腹)。以此方式移除的每個材料量子調(diào)整環(huán)的正交模態(tài)之間的分裂達(dá)特定量且易于用其相關(guān)驅(qū)動和拾取構(gòu)件改進(jìn)主響應(yīng)模態(tài)和次響應(yīng)模態(tài)的對準(zhǔn)。這個調(diào)諧過程的量化性質(zhì)將模態(tài)可匹配的程度限制為頻率分裂被調(diào)整的量子的一半的最差頻率分裂。例如，如果每個調(diào)諧孔減小頻率分裂達(dá)大約0.4Hz，那么調(diào)諧后的最差頻率分裂將為0.2Hz。
[0027]參考圖1，在實(shí)踐中，用于采用這種技術(shù)平衡環(huán)結(jié)構(gòu)10的方法涉及使用主驅(qū)動構(gòu)件和次驅(qū)動構(gòu)件(未展示)以分別測量主響應(yīng)模態(tài)和次響應(yīng)模態(tài)的固有頻率和取向而激發(fā)環(huán)結(jié)構(gòu)10，確定目標(biāo)模態(tài)的徑向波腹12的位置，計(jì)算激光平衡孔14的所需數(shù)量，使用激光以通過形成所計(jì)算數(shù)量的平衡孔14而移除目標(biāo)模態(tài)的徑向波腹上(或附近)的質(zhì)量，再測量響應(yīng)模態(tài)頻率和取向以驗(yàn)證平衡準(zhǔn)確度及在頻率分裂仍高于預(yù)定閾值的情況下重復(fù)所述過程。
[0028]激光平衡過程可使用完全自動化設(shè)備在晶圓級上執(zhí)行。舉例來說，制作工藝可制作具有匹配至±5Hz內(nèi)且因此需要多達(dá)12個孔14的模態(tài)，各調(diào)整分裂達(dá)0.4Hz以調(diào)諧或平衡正交模態(tài)。
[0029]為了在激光加工過程中實(shí)現(xiàn)一致性，重要的是避免孔14的重疊且其因此可具有預(yù)定的最小角距。舉例來說，鄰近孔14之間的最小角距可為1°。
[0030]由于僅存在目標(biāo)模態(tài)的四個徑向波腹12，所以為了調(diào)諧具有大于1.6Hz的頻率分裂的裝置，多個調(diào)諧孔14必須被放置在至少一個波腹12的附近。至少一些孔14因此未與目標(biāo)模態(tài)的徑向波腹精確對準(zhǔn)而是與其分隔達(dá)小角度。這種孔14的調(diào)諧效應(yīng)將小于由在徑向波腹12上精確提供調(diào)諧孔14得到的預(yù)定調(diào)諧量子。這是因?yàn)槟繕?biāo)模態(tài)的有效質(zhì)量通過在具有減小的模態(tài)徑向位移量值的位置上移除質(zhì)量而改變較小，且因?yàn)榉悄繕?biāo)模態(tài)的有效質(zhì)量通過未與目標(biāo)徑向波腹12對準(zhǔn)的孔14減小。除非調(diào)諧過程將這考慮在內(nèi)，否則這種變化可能導(dǎo)致調(diào)諧誤差。
[0031]圖2示出已使用上文描述的方法在從-40至+85°C的溫度范圍內(nèi)調(diào)諧的振動環(huán)結(jié)構(gòu)10的樣本的正交偏置的變化?？梢娫谶@個溫度范圍內(nèi)的正交偏置變化通常為大約20° /
S。相比之下，調(diào)諧后的初始正交偏置的變化高達(dá)80° /s，其說明典型裝置的正交偏置由設(shè)定初始正交偏置的模態(tài)調(diào)諧的精度和準(zhǔn)確度(或缺少精度和準(zhǔn)確度)主導(dǎo)。
[0032]對具有改進(jìn)性能的這種類型的陀螺儀的需要驅(qū)動對調(diào)諧過程改進(jìn)的相應(yīng)要求。一種方法將使用可變大小的最終調(diào)諧孔以由此實(shí)現(xiàn)小于正常調(diào)諧量子的調(diào)諧分辨率。這將需要調(diào)整激光功率，其出于以下數(shù)個原因是不切實(shí)際的:
[0033]現(xiàn)有設(shè)備可能無法動態(tài)調(diào)整激光功率；
[0034]激光光斑大小可能無法在現(xiàn)有設(shè)備中調(diào)整；
[0035]激光可能需要時(shí)間以穩(wěn)定至給定操作條件；
[0036]質(zhì)量移除不會隨激光功率線性變化；和
[0037]對頻率分裂的小調(diào)整(例如，< 0.1Hz)可能難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。
[0038]可使用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度調(diào)諧的過程是高度優(yōu)選的。
[0039]根據(jù)本發(fā)明，如圖3中所示，位于徑向波腹12上或附近的調(diào)諧孔14(下文被稱作粗調(diào)孔14)可如上文描述用于將頻率分裂減小至相對較低水平且此外，將一對微調(diào)孔16放置為與目標(biāo)模態(tài)的徑向波腹12相差預(yù)定角偏移，選擇角偏移來使固有模態(tài)的頻率分裂最小化。微調(diào)孔16對與相關(guān)徑向波腹12方便地基本上等距間隔。在兩個孔16與相同徑向波腹12相關(guān)聯(lián)的情況下，應(yīng)了解孔16方便地圍繞所述波腹12基本上對稱配置。但是，孔16若需要可與不同波腹12相關(guān)聯(lián)。
[0040]如上所述，已知在調(diào)諧孔未精確位于徑向波腹12位置上的情況下，這些孔的調(diào)諧效應(yīng)減小。如果一對孔20a、20b都形成在各自波腹12上且兩個孔對頻率分裂具有0.4Hz效應(yīng)(如圖4a中示意所示)，那么孔的凈效應(yīng)將是頻率分裂的0.8Hz變化。另一方面，如果一個孔20a形成在波腹12上且第二孔20b形成在從波腹12偏移達(dá)45°的位置上(如圖4b中示意所示)，那么由兩個孔的存在產(chǎn)生的頻率分裂變化將相等且相反，因此孔20a、20b將對頻率分裂無凈效應(yīng)。因此，應(yīng)了解，按適當(dāng)選擇的角間隔提供一對微調(diào)孔16可用于以高準(zhǔn)確度協(xié)助環(huán)結(jié)構(gòu)的平衡。圖5示出通過按角度間隔范圍提供一對微調(diào)孔而實(shí)現(xiàn)頻率分裂的偏移。
[0041]重新參考圖3，因此，可見一系列粗調(diào)孔14形成在波腹12上或附近。粗調(diào)孔14用于將頻率分裂減小至0.8Hz或更小的值。在圖3中所示的實(shí)例中，假設(shè)環(huán)結(jié)構(gòu)10的初始頻率分裂是1.65Hz。在本實(shí)例中提供三個粗調(diào)孔14以將頻率分裂減小至大約0.45Hz。但是，應(yīng)了解，這只是一個實(shí)例且所提供的孔14的數(shù)量將取決于平衡過程開始之前環(huán)結(jié)構(gòu)的頻率分裂。由于在這個實(shí)例中只需要三個粗調(diào)孔14，所以其可各精確位于各自波腹位置12上。如果需要超過四個這種孔14，那么結(jié)合上述方法，一些孔14將需與各自波腹位置12稍微隔開。
[0042]一旦已通過形成粗調(diào)孔14將頻率分裂減小至這個相對較低水平，那么一對微調(diào)孔16形成以實(shí)現(xiàn)環(huán)結(jié)構(gòu)10的最終平衡。
[0043]由具有角距ε 2的一對微調(diào)孔16形成得到的頻率分裂的變化由以下等式給出:
[0044]Δ F分裂=2 Δ F孔.cos (2 ε 2) (I)
[0045]其中Λ Fa是頻率分裂的公稱變化，其將通過在波腹12上形成一個孔而實(shí)現(xiàn)。
[0046]重新參考圖3，一旦已形成三個粗調(diào)孔14，響應(yīng)模態(tài)頻率和取向即被再測量以確定其余頻率分裂。使用等式(I)，微調(diào)孔16對的所需角距可被確定來基本上移除頻率分裂，或?qū)⑵錅p小至可接受水平。如上所述，需要0.45Hz的頻率分裂校正以實(shí)現(xiàn)環(huán)結(jié)構(gòu)的平衡。為了實(shí)現(xiàn)0.45Hz的頻率分裂偏移，微調(diào)孔16需按約28°的角距形成(如從圖5中可見)且因此需要微調(diào)孔，其圍繞波腹12之一對稱，從其偏移大約14°。一旦所需角距已被確定，微調(diào)孔16對即形成在所需位置上以平衡環(huán)結(jié)構(gòu)10。
[0047]為了防止由不對稱調(diào)諧導(dǎo)致的次效應(yīng)的可能性，需要微調(diào)孔16圍繞目標(biāo)模態(tài)的波腹12之一對稱。但是，情況不一定總是如此且其可能與不同波腹12相關(guān)。
[0048]調(diào)諧孔被放置在環(huán)上的角分辨率可能受限。例如，用于形成孔的設(shè)備可能僅允許孔按1°角形成。在使用這種設(shè)備的情況下，則應(yīng)了解精確平衡可能并非總是可行的。但是，與僅使用上文參考圖1描述的技術(shù)相比，環(huán)結(jié)構(gòu)10可平衡的程度顯著提高。為了進(jìn)一步提供實(shí)現(xiàn)平衡的準(zhǔn)確度，微調(diào)孔16圍繞目標(biāo)模態(tài)徑向波腹12的精確對稱要求可放松，例如以允許至波腹12 —側(cè)的微調(diào)孔16被放置為與至波腹12相對側(cè)的微調(diào)孔16的定位具有1°變化的角度，例如以允許微調(diào)孔可分別被放置為+21°和-22° (或反之亦然)。
[0049]雖然已描述其中最終孔是微調(diào)孔的過程，但是應(yīng)了解重要的是調(diào)諧孔的凈效應(yīng)而非其形成的順序，且在一些實(shí)施方案中，微調(diào)孔可在其他孔之前形成。此外，取決于環(huán)結(jié)構(gòu)10的初始平衡，可能無需形成任意粗調(diào)孔14且因此可能僅存在微調(diào)孔16對。
[0050]上文描述的孔不一定是通孔且可能是相對較淺的燒蝕坑。
[0051]雖然已參考COS2 0振動模態(tài)描述本方法，但是應(yīng)了解方法還可應(yīng)用于其他環(huán)彎曲模態(tài)，諸如cos3 0模態(tài)。可對上文描述的配置進(jìn)行一系列修改和變更而不脫離本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種調(diào)諧振動環(huán)結(jié)構(gòu)的方法，其包括確定位于所述振動環(huán)結(jié)構(gòu)的中性軸上或附近的基本上相同大小的一對微調(diào)孔的角間距，選擇角偏移來將目標(biāo)正交模態(tài)與相對于所述目標(biāo)正交模態(tài)角偏移的另一正交模態(tài)之間的頻率分裂減小至可接受水平，和按所確定的角間距在所述振動環(huán)結(jié)構(gòu)中形成所述微調(diào)孔對。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述微調(diào)孔對被放置為與所述目標(biāo)正交模態(tài)的徑向波腹基本上相等角偏移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述微調(diào)孔對圍繞所述目標(biāo)正交模態(tài)的徑向波腹基本上對稱形成。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述微調(diào)孔之間的所述角偏移小于45度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其進(jìn)一步包括至少一個粗調(diào)孔的形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述粗調(diào)孔與所述微調(diào)孔基本上大小相同。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述調(diào)諧孔通過激光燒蝕形成。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述微調(diào)孔被定位來實(shí)現(xiàn)COS20模態(tài)的平衡。
9.一種使用前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法調(diào)諧的振動環(huán)結(jié)構(gòu)。
10.一種包括環(huán)主體的振動環(huán)結(jié)構(gòu)，其通過位于所述環(huán)主體的中性軸上或附近的基本上相同大小的一對微調(diào)孔的形成而調(diào)諧，所述微調(diào)孔定位為相對于彼此角偏移，其被選擇來將所述環(huán)主體的目標(biāo)正交模態(tài)與另一正交模態(tài)之間的頻率分裂減小至可接受水平，所述另一正交模態(tài)相對于所述目標(biāo)正交模態(tài)角偏移。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)，其中所述微調(diào)孔對被放置為與所述目標(biāo)正交模態(tài)的徑向波腹基本上相同角偏移。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)，其中所述微調(diào)孔對圍繞所述目標(biāo)正交模態(tài)的徑向波腹基本上對稱形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括至少一個粗調(diào)孔。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其中所述粗調(diào)孔與所述微調(diào)孔基本上大小相同。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任意項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中所述微調(diào)孔被定位來實(shí)現(xiàn)所述cos2 Θ模態(tài)的平衡。
16.根據(jù)權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，其中所述環(huán)主體形成陀螺儀的部分。
【文檔編號】G01C19/5684GK104185774SQ201380013879
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月13日
【發(fā)明者】C.P.費(fèi)爾 申請人:大西洋慣性系統(tǒng)有限公司