[發明專利]振動環結構及其調諧方法

有效

• 申請號: 201380013879.7
• 申請日: 2013-03-06
• 公開（公告）號: CN104185774B
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: C.P.費爾
• 申請（專利權）人: 大西洋慣性系統有限公司
• 主分類號: G01C19/5684
• 分類號: G01C19/5684
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 馬紅梅,馬永利

技術領域

本發明涉及一種增強平衡的振動環結構且涉及一種平衡這樣一種振動環結構的方法。本發明還涉及一種包括這樣一種振動環結構的陀螺儀。

背景技術

已知其中通過主驅動構件使環在主彎曲模態中振動的振動環陀螺儀。陀螺儀圍繞環軸的旋轉導致主彎曲模態科氏(Coriolis)耦合至次彎曲模態中。次模態中的振動通過次拾取構件檢測并且與陀螺儀的旋轉相關。已知其中閉合回路控制用于維持主模態的特定振幅及取消次模態兩者的配置。

cos2θ平面內彎曲模態通常用于振動環陀螺儀中，其中次模態處于與主模態的45°角偏移。由完全各向同性材料組成的幾何完美環將具有主cos2θ模態和次cos2θ模態，其在頻率上完全匹配且cos2θ模態因此可在任何任意取向上被激發。但是，實際上，環結構并非幾何完美的且其材料可能并不是各向同性的。

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，由此導致圍繞環的楊氏模量的cos4θ變化。用于形成這樣一種硅陀螺儀的蝕刻過程可經歷跨裝置的變化，得到可變溝槽寬度、側壁輪廓或凹口。環結構與其所附接的其他組件之間的微分熱膨脹可能導致施加至環結構的各向異性應力。這些缺陷導致整個環內的質量和/或剛度分布的變化。這些缺陷將導致固定為特定角度的正交平面內cos2θ模態，和另一正交平面內cos2θ模態，其與正交模態成45°角且具有較高固有頻率。

上文描述的缺陷難以控制，且因此難以確保環的正交cos2θ模態與主驅動和次驅動以及拾取構件的對準重合。雖然由通過主驅動激發環導致的振動是環的固有模態的疊加響應，但是所得振動易為正交模態之一的緊密近似。

下文中提及主響應模態和次響應模態指的是由分別通過主驅動構件或次驅動構件激發環產生的振動。

主驅動構件及次驅動構件與主響應模態及次響應模態之間的這種未對準導致正交偏置誤差，其可能接著導致速率偏置誤差。這種偏置誤差是陀螺儀性能中的關鍵性能限制。雖然偏置誤差隨溫度變化，但是確定偏置誤差的主導因素是正交模態的初始頻率匹配和對準。此外，主模態與次模態之間的科氏耦合在其間的頻率分裂為小時得以改進。因此需要一種調諧振動環結構以匹配主模態頻率和次模態頻率并且將正交模態與主驅動和次驅動以及傳感構件對準的方法。

已提出用于調諧振動環結構的若干方法。在EP1775551中，公開了一種振動環陀螺儀，其中電容傳感器用于調諧環的模態。US5739410和GB2460935公開了通過移除或添加材料至環的中性軸，由此僅修改有效質量而調諧振動環結構的方法。類似地，“Multimodal Tuning of a Vibrating Ring using Laser Ablation”；Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers Part C，Journal of Mechanical Engineering Science 2003-01-01，Gallacher等人描述用于調諧振動環結構的激光燒蝕技術。

發明內容

需要實施簡單且能夠在匹配主模態頻率和次模態頻率時實現高準確度的調諧振動環結構的實用方法。

根據本發明，提供一種調諧振動環結構的方法，其包括確定位于振動環結構的中性軸上或附近的基本上相同大小的一對微調孔的角間距，選擇角偏移來將目標正交模態與相對于目標正交模態角偏移的另一正交模態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結構中形成微調孔對。

這樣一種配置有利于其通過簡單及方便的方式實現更高準確度的環結構平衡。

微調孔對被方便地放置為與目標正交模態的的徑向波腹相差基本上相同角偏移。例如，其可圍繞目標正交模態的徑向波腹基本上對稱形成。微調孔之間的角偏移優選地小于45度。

所述方法方便地結合粗調或平衡程序使用。例如，所述方法可包括形成至少一個粗調孔。粗調孔優選地與微調孔基本上大小相同。因此，相同設備可用于形成粗調孔和微調孔。調諧孔方便地通過激光燒蝕形成。

所述方法方便地用于實現cos2θ模態的平衡。

本發明還涉及使用上文定義的方法調諧的振動環結構。

根據本發明的另一個方面，提供一種包括環主體的振動環結構，其通過位于環主體的中性軸上或附近的基本上相同大小的一對微調孔的形成而調諧，微調孔定位為相對于彼此角偏移，其被選擇來將環主體的目標正交模態與另一正交模態之間的頻率分裂減小至可接收水平，另一正交模態相對于目標正交模態角偏移。