SE528404C2 - Sensorarrangemang - Google Patents

Description

25 30 35 528 404 Dessutom utgör föreliggande uppflnnlng en för förenkling i förhållande US 4,179,818 och en förbättring av traditionell IMU uppbyggnad.

Av dessa skäl är ett redundant sensorarrangemang tillhandahåilet för symmetrisk respons i ett ortogonalt x-, y- och z-koordinatsystem. Arrangemang innefattar fyra enaxliga sensorer i fom1 av gyroskop eller accelerometer, varvid varje sensor har en kánslighetsaxel och varje känslighetsaxei är riktad i en riktning, varvid en symmetrisk mättnoggrannhet erhålles i alla riktningar genom att en lutningsvinkel (o) mellan ett xy-plan och varje nämnd sensor kånelighetsaxlar liggeri ett intervall av 25°-50°, företrädesvis cza 35°, d.v.s. arctan(I/~/2_) =35.3°.

Kortfattat beskrivning av ritningar I det följande kommer uppfinningen att beskrivas på ett icke begränsande sätt med hänvisning till bifogade ritningar, i vilka: Fig. 1 visar schematiskt ett första utförande av montering av accelerometrar eller gyroskop, Fig. 2 visar schematlskt ett andra utförande av montering av accelerometrar eller gyroskop, Fig. 3-5 visar schematiskt och i perspektiv ett föredraget utförande ett sensorarrangemang enligt uppflnningen, och Fig. 6 visar schematlskt ännu ett utförande av montering av sensorer, enligt uppflnnlngen.

Detaljerad beskrivning av utförlngsexemplen Principen för sensoremas montering visas i Fig. 1, vilken visar schematiskt ett första utförande av ett sensorarrangemang 10 med på ett substrat 11 monterade fyra sensorer 1-4 i from av accelerometrar eller gyroskop. Således är sensorema anordnade som sldoma av en rektangel. Pilama illustrerar sensoremas känslighetsaxlar, varav känslighetsaxlama för sensorerna 1 och 2 är riktade in mot sensorerna i en vinkel o medan känslighetsaxlarna för sensorema 3 och 4 är riktade ut från sensorerna l en vinkel ß. 10 15 20 25 528 404 Med fyra sensorer konfigurerade enligt Flg. 1 erhålles x-, y- och z-slgnalema som: *dm °° law " zflm-»l Yaga °° 3ami ' 41min Azdm oc 3% - lim + 4I-WI -Zásfl 0=1md +2ñm +3dm +4mfl I ekvationen avser numren 1-4, accelerometrar eller gyron 1-4.

Den sista ekvationen Innehåller statuslnformation om mätsystemets, t.ex. brusnivån för tillfället. Den kommer även att avvika från noll om "common-mode" störningar påverkar systemet, eller om en sensor börjar uppföra sig säreget.

Ett inte fullt lika optimalt sätt att montera sensorer men tlllverkningsteknlskt enklare är att låta alla sensorema peka åt samma håll, såsom visas i Flg. 2. Sensorarrangemanget 20 med på substratet 21 monterade fyra sensorer 1'-4' l from av accelerometrar eller gyroskop. Även här är sensorerna anordnade som sidorna av en rektangel. Pllarna illustrerar sensorernas känsilghetsaxlar, varav känslighetsaxlama för alla sensorer är riktade ut från sensorerna i en vinkel ß'. Även här illustrerar pilarna sensorernas känslighetsaxlar.

Med fyra sensorer konfigurerade enligt Flg. 2 så erhålls x-, y- och z-signalerna som: x'signal °c Tsignal ' rsignal Y's|gna| °° 3'_-.igna| '4's1gnai ZIsIgnaI a; 3'slgnal+1'signai + 4'slnal+zlsignal 0 = _ llslgnal-zlsignai + 3'signal +4IsIgnai För att få symmetrisk mätnoggrannhet i alla riktningar så skall lutnlngsvlnkeln a. mellan xy-planet och sensorernas känsiighetsaxlar ligga l intervallet, 25°-50°, företrädesvis c:a 35°, d.v.s. arctanO/x/ï) =35.3°. Detta kan åstadkommas på flera sätt t.ex.: 1) Att sensorerna direkt tillverkas och kapslas eller monteras med rätt känsllghetsrlktning, 10 15 20 25 30 35 528 404 2) Att sensorema tillverkas med rätt känsllghetsriktnlngar på ett och samma chip.

Ett sådant chip kan innehålla två eller fyra sensorelement. 3) Att sensorerna monteras l specialtillverkade socklar som är vinklade a (eller ß d.v.s. 40°-6S°, företrädesvis cza 5S° (=90°- arctanO/x/ï) Om SGHSOTHS känsllghersaxel ligger vertikalt). Montering kan ske på båda sidor av substratet för att erhålla olika riktning på z-känsllgheterna. 4) Att sensorerna monteras på en struktur med lutande bärplan, såsom en pyramld, eller på ett flexsubstrat som fästs vid kliar eller väsentligen pyramidformade struktur, eller 5) Genom montering på en mekanisk fixtur.

Vid monterlngen kan man lägga vikt vid att termisk expansion av bäraren skall påverka alla sensorelement på samma sätt för att hela nyttan med differentiella signaler skall erhållas.

Figurema 3 - 5 vlsar ett exempel på ett utförande baserat på en struktur med i vinkel ställda bärorgan, d.v.s. väsentligen pyramidformade substrat (kretskort) där en 3-axlig accelerometer (enligt patent 359203648-2 (WO 94112886 )) monterats på toppen av en avhuggen väsentligen pyramidformade strukturen och fyra stycken enaxliga gyron monterats på sidoma av pyramidfomlade strukturen (gyron t.ex. enligt patent SE9800194-4). Us6467349 Fig. 3 vlsar en sprängsklss på ett modulärt system av sensorarrangemanget 30, i vilket monteras sensorkorten 35a-35c på pyramidsidorna, som innehåller en-axllga gyrona 32 tillsammans med den mest sensornåra elektroniken 36 (såsom analogdelar i ASIC). sensorkorten kan också innehålla 1-axllga accelerometrar om tidigare nämnda 3-axliga accelerometer 34 inte monteras på toppkortet 38 (eller på en basplatta). Både gyrona och eventuella en-axliga accelerometrar har företrädesvis känsllghetsaxeln parallellt med kortens plan och riktad uppåt eller neråt för att optimal konfiguration skall erhållas med en ungefärlig 35° vinkel mot basen. Systemet kan vara uppbyggt av lösa sidor såsom på skissen men också som en keramisk väsentligen pyramldformad i ett stycke.

På ett kort 38 l basen av pyramiden placeras resterande av den sensornära elektroniken 39 (dlgitaldelar), t.ex. en FPGA (Field Programmable Gate Arrays), som styr sensormodulens utleverans av modulerade och temperatur kompenserade signaler eller rå sensor data beroende på eventuell eflierföljande slgnalbehandling. 10 15 20 25 528 404 Utförandet tillåter att kunna koppla på olika moduler efter behov, t.ex. olika kraflzfuila DSP-moduler (Digital Signal Processing) beroende på hur avancerade signaibehandlingskoncept som ska utnyttjas. Moduler för kommunikation och kraftförsörjning osv., kan också kopplas in.

Fig. 4 illustrerar sammansatta kretskorten enligt utförlngsexemplet visat I Fig. 3. Den pyramidformade sensormodulen innehåller en 3-axlig accelerorneter (med 4 oberoende massor) på toppen med elektronik och ett gyro med tillhörande elektronik på varje sida.

Fig. 5 visar ett sammansatt system 50 enligt Fig. 3 i ett (genomskinligt) höije 150. I figuren syns även DSP-delen 58 samt kabel band för kommunikation med kommunlkatlonsenheten 56. Kommunikation med omvärlden kan ske via en port (ej visad) eller trådlöst.

Dessutom kan sensorerna monteras i ”rätt” vinklar med hjälp av platta substrat tillsammans med kilar eller t.ex. genom att utnyttja anisotropetsning av klsel som också ger "rätt" vinkel. Det senare utförandet visas i Flg. 6. Substratet 61 år försett med en fördjupning 611 med lutande väggar. Ena änden av ett gyroskop 62 är anordnad anliggande mot en av lutande väggama. Vinkein mellan gyroskopets känsllghetsaxel 66 och gyroskopet är då a.

I ett utförande är uppfinningen realiserad som en IMU.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsexemplen, utan kan varieras på olika sätt utan att avlägsnas från de bifogade kravens skyddsomfång, och anordningen och metoden kan implementeras på olika sätt beroende av applikation, funktionella enheter, behov, krav och så vidare.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 528 404 KRAV . Ett redundant sensorarrangemang för symmetrisk respons i ett ortogonalt x-, y- och z- koordinatsystem. kännetecknat därav, att nämnda arrangemang innefattar fyra enaxliga sensorer i form av gyroskop eller accelerometer, varvid varje sensor har en känslighetsaxel och varje känslighetsaxel är riktad i en riktning, varvid en symmetrisk mättnoggrannhet erhålles i alla riktningar genom att en lutningsvinkel (u) mellan ett xy-plan och varje nämnd sensor känslighetsaxlar liggeri ett intervall av 25°-50°, företrädesvis cza 35°, d.v.s. arctanO/Jš) =35.3°. . Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat därav, att sensorema tillverkas och kapslas ochleller monteras med känslighetsriktning i motsvarande lutningsvinkeln (a). . Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat därav, att sensorema är tillverkade med rätt känslighetsriktriingar pà ett och samma chip, vilket innehåller två eller fyra sensorelement. . Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat därav, att sensorema är monterade i specialtillverkade socklar som är vinklade motsvarande nämnda lutningsvinkel (u). . Arrangemang enligt krav1 eller 2, kännetecknat därav, att sensorema är monterade på en struktur med lutande bärplan. . Arrangemang enligt krav 1 eller 2, kännetecknat därav, att sensorema är monterade pà ett flexsubstrat som fästes vid kilar. . Arrangemang enligt krav 1 eller 2, 10 15 20 25 30 35 528 404 "f kännetecknat därav, att sensorema är monterade pà en mekanisk fixtur. 8. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat därav, att nämnda vinkel (u) är i intervallet 40°-65°, företrädesvis cza 55°, d.v.s. 90°- arctanfl/Jï) om sensoms känslighersaxel ligger vertikalt. 9. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat därav, att fyra bärande struktur monteras lutande och väsentligen sida vid sida, utgörande sidoma hos en väsentligen pyramidforrnig struktur, varvid varje bärande struktur innefattar ett enaxligt gyroskop (32). 10. Arrangemang enligt krav 9, vari nämnda fyra accelerometrar utfonnas som en 3-axlig ~ accelerometrar (34) med fyra massor anordnad pà en bärande struktur, utgörande en topp eller botten plan till nämnda lutande strukturer. 11. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat därav, att fyra bärande struktur monteras lutande och väsentligen sida vid sida, utgörande sidoma hos en väsentligen pyramidfonnig struktur, varvid varie bärande struktur innehåller en enaxlig accelerometer. 12. Arrangemang enligt krav 9 eller 11, kännetecknat därav, att gyrona och eventuella enaxlig accelerometer har företrädesvis känslighetsaxeln parallellt med bärande strukturens plan och riktad uppåt eller neråt m.h.t. planet för att optimal konfiguration skall erhållas med en ungefärlig lutningsvinkel (a) mot basen. 13. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat därav, att sensorema monteras i räta vinklar med hjälp av platta substrat tillsammans med kilar. 14. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat därav, 528 404 8 att nämnda bärande struktur är ett substrat (61) försett med en fördjupning (611) med lutande väggar, varvid ena änden av ett gyroskop (62) är anordnad anliggande mot en av de lutande vaggama, varvid vinkeln mellan gyroskopets känslighetsaxel (66) och gyroskopet motsvarar lutningsvinkeln (u).