三轴角速率传感器制造技术

用于检测围绕第一、第二和第三正交输入轴的旋转的角速率传感器，具有多个通常为平面的检验质量，检验质量被耦合在一起以便在由所述第一和第二输入轴形成的平面中沿着多方向驱动轴进行线性驱动模式振荡。所述质量被安装在通常为平面的传感构架上，以便在驱动模式中相对于所述传感构架进行线性移动并且在传感模式中与所述传感构架一起进行旋转。所述传感构架被安装用于响应分别通过所述质量围绕所述第一、第二和第三输入轴旋转产生的科里奥利力，在传感模式中与所述质量一起围绕第一、第二和第三输入轴彼此独立地旋转。而且，采用对所述质量和所述传感构架在传感模式中的旋转移动做出响应的电容传感器来检测旋转速率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及角速率传感器或陀螺仪，尤其涉及一种用于监测围绕三个输入轴 的旋转的速率传感器。
技术介绍
汽车和消费市场中的许多应用需要测量围绕三个正交轴的角速度。当前，最常见 的解决方案是使用三个单独的速率传感器，每个速率传感器测量围绕一个轴的旋转。然而， 那样的解决方案需要三个单独的传感器以及三个独立的集成电路以用于驱动控制和传感。
技术实现思路
一般说来，本专利技术的目的是提供一种新的，改进的角速率传感器或陀螺仪。本专利技术的另一个目的是提供一种具有上述特征的速率传感器或陀螺仪，它克服了 现有技术的速率传感器的限制和缺点。根据本专利技术的这些及其他目的通过提供一个角速率传感器而被实现。该角速率 传感器用于检测围绕第一、第二和第三正交输入轴的旋转，具有基板；多个耦合在一起的 一般为平面的检验质量，用于沿着多方向驱动轴在包括第一和第二输入轴的质量平面中 进行线性驱动模式振荡；在驱动模式中驱动质量进行振荡的装置；平面传感构架，其被布 置在质量平面中；用于把质量安装到传感构架以用于在驱动模式中相对于该传感构架进 行线性移动以及用于在传感模式中与传感构架进行旋转的装置；用于把传感构架安装在 基板上，以用于分别响应通过质量围绕第一、第二和第三输入轴旋转而产生的科里奥利力 (Coriolis forces)，围绕第一、第二和第三输入轴彼此独立地与质量一起旋转的装置；对 传感构架和质量围绕输入轴的旋转移动做出响应，以监测旋转速率的装置。附图说明图1是根据本专利技术的三轴速率传感器的一个实施例的俯视图。图2是一个运行图，其示意了图1的实施例的驱动模式振荡。图3是根据本专利技术的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图4是根据本专利技术的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图5是根据本专利技术的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图6是一个运行图，其示意了图5的实施例的驱动模式振荡。图7是根据本专利技术的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图8是一个运行图，其示意了图7的实施例的驱动模式振荡。图9是根据本专利技术的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图10是一个运行图，其示意了图9的实施例的驱动模式振荡。图11是根据本专利技术的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图12是结合本专利技术的双轴速率传感器的一个实施例的俯视图。图13是结合本专利技术的单轴速率传感器的一个实施例的俯视图。图14是结合本专利技术的双轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图15是结合本专利技术的单轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。具体实施例方式如图1中所示，速率传感器一般具有四个一般为平面的蝶翼形的检验质量(proof masses) 20、22、24、26，当设备静止时它们位于χ，y参考平面中。检验质量围绕X轴和Y轴 的交点(即中心27)布置，质量(mass) 20、24沿X轴，质量22、26沿Y轴。检验质量通过柔性梁或挠性件(flexure) 30被安装在支撑构架，或传感构架28 上。这些挠性件约束每个质量在驱动模式中相对于传感构架沿着预定轴的线性移动，所述 预定轴是该质量的驱动轴。质量20、24的驱动轴沿X轴，而质量22、26的驱动轴沿Y轴。用于每个质量的挠性件在沿着该质量的驱动轴的方向中较柔性，而在其他方向中 较刚性。对每个质量使用多组挠性件进一步抑制了质量和传感构架之间可能的相对移动， 但是沿着质量驱动轴的线性移动除外。如同质量一样，传感构架28—般是平面的并与质量一起布置在x，y平面中。它包 括刚性环38和柄40。该环的中心与中心27—致，这也是设备的中心。每个柄被接附到该 环并且沿着检验质量的驱动轴延伸到检验质量的内侧，以便通过挠性件30安装质量。环38通过从环以径向延伸的挠性件44被安装到万向节(gimbal)42。每个这样的 挠性件在其纵向或径向中较刚性，而在位于质量平面中并且垂直于纵向方向的横向中较柔 性。它们约束传感构架围绕Z轴相对于万向节42的旋转，Z轴垂直于x，y平面并且在中心 27处与该平面相交。万向节42还通过一对扭力梁48被枢轴地安装到另一个万向节46以便围绕X轴 相对于万向节46旋转，扭力梁48沿着X轴延伸。而且，万向节46还被安装到锚柱50，锚柱 50通过一对扭力梁52被接附到基板(未示出)，扭力梁52沿着Y轴延伸以便围绕Y轴旋 转。包括部件42到52的悬挂结构将传感构架安装在基板上，并且允许它与质量一起围绕 x、y和Z轴彼此独立地旋转。可见，悬挂结构中的多个旋转部件44、48、52通过万向节42、46被串联连接。很明 显，悬挂结构中的旋转部件的连接序列或顺序可以被改变以实现同样的旋转功能。这个实 施例只说明了许多可能序列之一。通过在相邻质量之间连接的耦合弹簧或链接梁54，检验质量被耦合在一起。相邻 质量指的是沿着围绕设备中心的圆周方向的两个邻近的质量。在这样的定义下，例如，质量 20,22是一对相邻的质量，而质量20、24则不是，因为它们在圆周方向中不相邻。每个链接 梁沿径向延伸，与相邻质量的两个驱动轴形成近似相等的角度，即与X和Y轴成45度角。链接梁禁止它所连接到的两个相邻质量在与其纵轴(径向方向平行的方向中相 对移动，而只允许在其垂直于纵向的横向中做相对移动。因此，它约束相邻质量沿着它们的 驱动轴以一种协作的方式移动。例如，当质量20沿X轴以远离中心27的方向移动时，由于质量20和22之间连接 的链接梁的约束，质量22不得不因此沿着其在Y轴中的驱动轴移动离开中心。因此，两个 相邻质量沿着它们自己的驱动轴用正好相同的相位振荡，或者说以同相方式振荡。这形成了检验质量的驱动模式，即质量沿着它们自己的驱动轴以彼此之间同相的 方式振荡。而且，在这种耦合设计下，这种驱动模式是系统中质量的最低振动模式。检验质量由梳状驱动致动器(comb drive actuator) 56、58、60、62驱动，梳状驱动 致动器具有安装到检验质量并且与接附到锚定电极64、66、68、70的固定指状物交插的可 活动指状物。致动器56、60具有与X轴平行的梳状指状物以用于驱动质量20、24沿着X轴 进行振荡，而致动器58、62具有与Y轴平行的指状物以用于驱动质量22、26沿着Y轴进行 振荡。电极板72、74、76、78被安装在检验质量20、22、24、26下面的基板上，并且分别与 检验质量形成电容器80、82、84、86。这些电容器被用来监测质量的平面外移动，即质量围绕 X和Y轴的旋转。多个平行板电容器88被采用来监测传感构架的平面上的旋转运动，即传 感构架围绕Z轴的旋转，平行板电容器88具有安装在环38上并且与接附到基板的固定板 交插的可活动电极板。这些平行板电容器一般在质量平面中从环38以径向延伸。在操作中，驱动信号被应用到驱动致动器56、58、60、62，这使得质量20、24沿着X 轴振荡，质量22、26沿着Y轴振荡。由于链接梁54的约束，这些质量沿着它们自己的驱动 轴的振荡是彼此同相的。图2中示出了这种驱动模式振荡的模式形状，其中，箭头标记出质量的移动方向。用图1中所示的质量和耦合弹簧的对称设计，检验质量可以在驱动模式中用正好 相同的相位和相等的振幅进行振荡，这产生了完美平衡的驱动动量(drive momentum), BP 为零的总驱动动量。从而，驱动模式振荡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种角速率传感器，用于检测围绕第一、第二和第三正交输入轴的旋转，包括：基板；传感构架，其被布置在由所述第一和第二输入轴形成的平面中；用于把所述传感构架安装在所述基板上并且允许所述传感构架围绕所述第一、第二和第三输入轴彼此独立地旋转的装置；多个检验质量，其在该平面中具有预定驱动轴，至少两个驱动轴彼此形成大于０度且小于１８０度的角度；用于把所述质量安装在所述传感构架上并且约束每个质量在驱动模式中沿着所述质量的驱动轴相对于所述传感构架的线性移动，并且用于在传感模式中与所述传感构架一起旋转的装置；用于将所述检验质量耦合在一起以形成单驱动模式振荡的装置；致动装置，用于驱动所述质量在驱动模式中振荡；检测装置，用于响应于通过所述质量分别围绕所述第一、第二和第三输入轴的旋转而产生的科里奥利力，检测所述检验质量和所述传感构架围绕所述第一、第二和第三输入轴的传感模式旋转。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：毛敏耀，
申请(专利权)人：毛敏耀，
类型：发明
国别省市：US[美国]