CN100510631C

CN100510631C - 角速度传感器

Info

Publication number: CN100510631C
Application number: CNB038120771A
Authority: CN
Inventors: 太田和弘; 谷内雅纪; 高桥克彦
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: US7096733B2; JPWO2003100350A1; JP4084354B2; CN1656356A; KR20040106587A; EP1510782A4; US20050120794A1; KR100625736B1; WO2003100350A1; EP1510782A1

Abstract

一种角速度传感器，包括底座和由该底座支撑的振子。振子相对于底座的安装面是倾斜的。振子相对于安装面的倾斜角是可调节的。为此，角速度传感器还包括一保持振子的保持部件。该保持部件是可弹性变形的。可以折叠单一材料来形成保持部件。

Description

角速度传感器

技术领域

本发明总体上涉及角速度传感器，更具体地，涉及一种采用压电振子(vibrator)的角速度传感器。

背景技术

角速度传感器检测物体旋转时的角速度。角速度传感器用于避免由于拍照时手的移动而导致的图像模糊，并且在诸如车辆导航系统的位置检测系统、以及用于汽车和机器人的姿态控制系统中得到应用。检测轴相对于检测基准面的任何倾斜都会导致检测误差或对另一轴的不当检测。在上述情况下，不能检测到准确的角速度。因此，配备有角速度传感器的控制系统会遇到由角度检测误差所造成的各种问题。例如，对于车辆导航系统，角速度传感器通常安载在车辆的仪表盘(dashboard)中。在配备有角速度传感器的控制系统安载在仪表盘中的情况下，如果检测轴与作为基准面的地面平行，则可以准确地检测到角速度。

然而，许多车辆的仪表盘与地面不平行。在控制系统安装在倾斜的仪表盘内的情况下，角速度传感器的检测轴也是倾斜的，角速度的检测误差会变大，而且类似地，会更频繁地出现对另一轴的不当检测。图1A和1B示出了上述情况。图1A的横轴表示传感器倾斜的角度(°)，图1A的纵轴表示角速度的检测误差(％)。图1B的横轴表示传感器倾斜的角度(°)，图1B的纵轴表示对另一轴的不当检测(％)。另外，如果传感器的检测轴需平行于地面，则需在仪表盘内新安装一摇摆台(tiltingtable)，或者将摇摆台与传感器相接合。结果，需要更大的空间。

本发明的总体目的是解决上述缺点，并提供一种角速度传感器，即使该角速度传感器安装在倾斜的表面上，它也可以将检测轴调节得与角速度的检测基准面相适应，并且该角速度传感器可以减小整个系统的尺寸。

本发明的另一目的是提供一种可以容易地调节检测轴的方向的角速度传感器。

发明内容

为了实现上述目的，根据本发明的角速度传感器的特征在于包括底座(stem)、以及由该底座支撑的振子和电路板，并且振子相对于底座在与电路板平行的平面内倾斜。角速度传感器相对于底座在在与电路板平行的平面内倾斜，并且即使角速度传感器安装在倾斜面上，也可以将检测轴调节到合适的方向上。另外，振子的轴(其是检测轴的最小单元)是倾斜的，因此可以最小化由倾斜造成的盲区(dead space)。在上述角速度传感器中，振子相对于底座的倾斜角度可以是可调节的。在上述角速度传感器中还可以包括一保持部件，其保持振子以使得可以调节振子相对于底座的倾斜角度。在上述角速度传感器中，保持部件可以是可弹性变形的，并保持振子。在上述角速度传感器中，保持部件可具有一折叠的单个部件。在上述角速度传感器中还可以包括：固定振子的振子支撑基板，以及保持振子支撑基板和电路板的框架。振子的轴在平行于电路板的表面内是倾斜的，因此最小化了盲区。在上述角速度传感器中还可以包括：固定振子的振动支撑基板，以及保持振子支撑基板和电路板的框架，并且该框架夹着并保持振子支撑基板。上述角速度传感器还可以包括：固定振子的振子支撑基板，以及保持振子支撑基板和电路板的框架，并且该框架可由可弹性变形的材料制成，以使得可以调节相对于底座的角度。在上述角速度传感器中，框架可以与电路板的多个侧边相接合。上述角速度传感器还可以包括：固定振子的振子支撑基板，以及保持振子支撑基板和电路板的框架，并且电路板设置在框架的第一侧，而振子和振子支撑基板设置在框架的第二侧。在上述角速度传感器中，振子支撑基板可以具有一凹部，而框架则具有一被装配到该凹部中的保持部件。在上述角速度传感器中，角速度传感器可与布置在振子上的电极相连接，并具有穿透底座的外部连接端子。在上述角速度传感器中还可以包括一连接至所述振子的电路和多个用于外部连接的焊盘。在上述角速度传感器中还可以包括被设置用来覆盖电路板的框架，并且该框架的电路板保持部与焊盘相接触，该电路板保持部与所述电路板相接合。在上述角速度传感器中还可以包括固定振子的振子支撑基板、以及保持振子支撑基板和电路板的框架，并且振子支撑基板由多层组成。在上述角速度传感器中，优选地，振子为音叉振子或块状的振簧振子。在上述角速度传感器中，振子可以是块状的振簧振子。在上述角速度传感器中，构成所述音叉振子的多个臂可以在平行于电路板的平面内并列。

根据本发明的角速度传感器的特征在于包括：底座、振子，以及保持底座上的振子的保持部件，并且保持部件是可弹性变形的，而且检测轴的角度是可通过使所述保持部件弹性变形进行调节的。对于上述角速度传感器，保持部件可将振子保持得使振子的检测轴可相对于底座倾斜。在上述角速度传感器中，保持部件可将振子保持得使振子的检测轴可平行于底座。

附图说明

下面参照附图详细说明本发明的优选实施例，附图中：

图1A和1B是说明传统技术的缺点的曲线图；

图2是根据本发明第一实施例的角速度传感器的立体图；

图3是根据本发明第一实施例的角速度传感器的另一立体图；

图4A示出了根据本发明第一实施例的振子的正面侧；

图4B示出了根据本发明第一实施例的振子的背面侧；

图5A是根据本发明第一实施例的支撑基板的俯视图；

图5B是沿图5A中所示的线V_B-V_B截取的截面图；

图5C是根据本发明第一实施例的支撑基板的仰视图；

图6A是根据本发明第一实施例的框架和保持部件的俯视图；

图6B是根据本发明第一实施例的框架和保持部件的侧视图；

图6C是沿图6B中所示的线VI_C-VI_C截取的截面图；

图7是根据本发明第一实施例的由可弹性变形的部件制成的框架和保持部件的展开视图(developed view)；

图8是根据本发明第一实施例的角速度传感器的正视图；

图9A是根据本发明第一实施例的底座的正视图；

图9B是根据本发明第一实施例的底座的平面图；

图9C是根据本发明第一实施例的底座的侧视图；

图10是根据本发明第一实施例的角速度传感器的后视图；

图11A是根据本发明第一实施例的电路板上设置的电路图；

图11B示出了根据本发明第一实施例的检测电极的连接图；

图12A和12B是根据本发明第二实施例的角速度传感器的正视图；以及

图13是根据本发明第三实施例的角速度传感器的正视图。

具体实施方式

现将参照附图对本发明的实施例进行说明。

(第一实施例)

下面参照附图来说明本发明的第一实施例。图2和图3是根据本发明第一实施例的角速度传感器的立体图。图2示出了振子的倾斜角度为0°的情况。图3示出了振子倾斜的情况。角速度传感器包括底座10、振子12、振子支撑基板14、框架16、保持部件18、电路板20，以及多个外部连接端子21。保持部件18由可弹性变形的材料制成。如图3所示，可以通过使保持部件18弹性变形来任意调整振子12的角度。图2中所示的角速度传感器适于以下情况：底座10安装在平行于基准面(地面)的表面上；或者即使具有该角速度传感器的系统安装在相对于基准面倾斜的表面上，振子12的检测轴也垂直于基准面(地面)。相反，如图3所示，在振子12或配备有该振子12的系统安装在相对于基准面(地面)的倾斜表面上的情况下，角速度传感器12的检测轴垂直于基准面(即，地面)。也就是说，图3中的角速度传感器适于以下情况：角速度传感器或配备有该角速度传感器的系统安装在相对于基准面倾斜的表面上。角速度传感器被安装成，使得底座10的安装面11可基本上平行于具有振子12的系统的母板。电路板20被安装成基本上垂直于底座10或安装面11。振子12在平行于电路板20的平面上是倾斜的。可以通过使由可弹性变形的材料制成的保持部件18弹性变形来容易地调节倾斜角。

即使其上安装有角速度传感器的表面(如仪表盘)是倾斜的，也可容易地将如图2和3中所示的角速度传感器设置为垂直于基准面，而无需考虑倾斜角。当然，当安装传感器时，传感器的检测轴垂直于基准面。在安装振子12时预先确定了倾斜角的情况下，事先按预定角度固定振子12，以利用不弹性变形的材料制造保持部件18。下面将详细说明根据本发明第一实施例的角速度传感器的组件。

图4A和4B是振子12的立体图。图4A示出了振子12的正面侧。图4B示出了振子12的背面侧。振子12是包括两个臂22和24以及基部26的音叉振子。基部26连接臂22和24。振子12由压电材料制成。例如，使用了诸如LiNbO₃和LiTaO₃的单晶压电材料。振子12的检测轴为两个臂延伸的方向。在臂22和24中，按如下方式形成有检测电极和驱动电极。在臂22中布置有检测电极34、38和39。而在臂24中布置有检测电极32、36和37。检测电极38和39通过环绕电极30耦接，环绕电极30环包着臂22的上部。检测电极38连接至引出电极(extraction electrode)41，该引出电极41向基部26延伸。检测电极34布置在臂22的外侧面上。检测电极34被引出电极42引出到基部26上。检测电极36和37在环包臂24的上部的环绕电极28上连接在一起。检测电极36连接至布置在基部26上的引出电极43。检测电极32布置在臂24的外侧面上，并被引出电极40引出到基部26上。驱动电极44以U形图案布置在正面侧。该U形图案形成在臂22和24上。驱动电极44被引出电极48引出到基部26的表面上。驱动电极46以U形图案布置在背面侧。该U形图案形成在臂22和24上。驱动电极46被引出电极50引出在基部26的背面侧上。

图5A至5C示出了振子支撑基板14。图5A是支撑基板14的俯视图。图5B是沿图5A中所示的线V_B-V_B截取的截面图。图5C是支撑基板14的仰视图。参照图5B，例如，振子支撑基板14具有由基板14₁、14₂和14₃(由铝制成)组成的三层结构。在基板14₁和14₂中形成有凹部53。振子12的基部26被装配到凹部53中。如图5A所示，在凹部53周围布置有多个焊盘52。在底部上形成有电极54。电极54通过内部通孔连接(internal via connect ion)耦接至一个焊盘52。当把振子12装配到凹部53中时，图4B中所示的引出电极50与电极54相接触。向凹部53施加导电粘合剂以将振子12固定至振子支撑基板14。例如，使用接合线(bonding wire)或导电胶将布置在振子12的表面上的引出电极40、41、42、43和48电耦接至对应的焊盘52。振子12还包括另一凹部56。凹部56与凹部53彼此面对。凹部56贯穿振子支撑基板14的三层14₁、14₂和14₃。将保持部件18装配到凹部56中，并使用例如硅基粘合剂将其固定。

图6A至图6C示出了框架16和保持部件18。图6A是框架16和保持部件18的俯视图。图6B是框架16和保持部件18的侧视图。图6C是沿图6B中所示的线VI_C-VI_C截取的截面图。框架16由导电材料(例如镀镍钴或镀镍磷青铜)制成。框架16具有C形截面，并在其侧面上具有电路板保持部58。电路板保持部58与电路板20相接合。具体地说，如图2和3所示，在电路板20的侧面上布置了一具有C形状的凹切(cut out)部60。电路板保持部58与凹切部60的角部相接合。也就是说，电路板保持部58通过夹着电路板20的侧面来保持电路板20。使用粘合剂或焊料将电路板保持部58固定至电路板20。如上所述，电路板保持部58与电路板20的侧面相接合。作为替换，可在电路板20内设置孔以插入电路板保持部58。另外，可以采用其他方法来保持电路板20。框架16具有C形截面，而且在电路板20与框架16的内表面之间形成有一间隙。该间隙防止安装在电路板20上的电子部件接触框架16。另外，框架16具有一拱形的凹切部65。通过诸如金属线等的穿过凹切部65的互连线在振子支撑基板14与电路板20之间建立电连接。

保持部件18布置在振子支撑基板14上。参照图6B，保持部件18具有C形截面。振子支撑基板14被装配到由保持部件18产生的间隙62中。在此情况下，将振子支撑基板14接合到保持部件18上，以使得其上设置有焊盘52的内表面可以面对框架16。保持部件18包括保持部64。使用粘合剂将保持部64固定至框架16的底部66上。在框架16的底部66上形成有一对应于保持部64的凹部，并且该凹部与保持部64相接合。保持部件18也是按与框架16相同的方式由导电材料(例如镀镍钴或镀镍磷青铜)制成的。如图6A所示，这意味着，保持部件18是可弹性变形的。在保持部件18的底面与框架16的顶面之间创建有一微隙70。设置该微隙70，使得可通过使保持部件18弹性变形来容易地调节框架16相对于底部66的角度。使保持部件18弹性变形来调节框架16相对于底部66的角度。这使得可以调节振子12的检测轴的倾斜角。

参照图7，可以利用单个部件68来形成框架16和保持部件18。图7是单个部件68的展开图。如图所示折叠单个部件68。展开的保持部件18如图7中的(1)所示被折叠成具有C形状，并如图7中的(2)所示被折叠在保持部64的中央处。在此情况下，当然，保持部64是单个部件68的一部分。

图8是角速度传感器的正视图。图8示出了图2和3的组合图。标号72表示诸如IC、电阻器和电容器的电子元件。这些电子元件72安装在电路板20上，并通过布置在电路板20上的互连图案进行耦接。稍后将详细说明形成在电路板20上的电路。一封罩(未示出)与图2、3和8中所示的凸缘13相接合。该封罩对振子12和电路板20进行密封以保护角度传感器的内部。

图9A至9C示出了底座10。图9A是正视图，图9B是平面图，而图9C是侧视图。外部连接端子21为针形，根据本发明第一实施例设置了六个外部连接端子21。这些外部连接端子21穿透底座10。四个外部连接端子21的上部21A排列成直线，而且，为了更好地理解，将其圈出，如图9A至9C所示。上部21A与布置在电路板20的背面侧上的焊盘相接触，这在后面将详细说明。外部连接端子21的下部插入到诸如母板的基板上形成的孔中，并由焊接加以固定。剩余两个外部连接端子21的上部22B没有与布置在电路板20上的焊盘相接触。也就是说，上部22B比上部21A短。上述两个外部连接端子21可为虚端子，也可实际用作外部连接端子。

图10是角速度传感器的后视图。在电路板20的后侧布置有焊盘74和76。多个焊盘74被分别焊接到多个外部连接端子21的上部21A上。框架16的电路板保持部58向内折叠，并被焊接到焊盘76上。所述四个外部连接端子21中的两个分别充当信号端子和接地端子，以施加驱动信号。剩下的两个外部连接端子21也充当信号端子和接地端子，以输出角速度检测信号。焊盘76充当布置在电路板20上的电路的接地端子。该电路通过多个焊盘16电耦接至框架16，并且框架16充当极好的屏蔽部。焊盘76可省略。在此情况下，所述屏蔽部可连接至充当电路板20上的地的外部连接端子21。据此，框架16充当屏蔽部。

图11A是设置在电路板20上的电路图。图11B示出了检测电极32、34、36、37、38和39的连接图。在电路板20上形成有驱动信号输入端子78、驱动电路80、差动放大器82、低通滤波器(LPF)84、直流放大器86，以及检测信号输出端子88。驱动信号输入端子78和检测信号输出端子88对应于图10中所示的焊盘74。驱动电路80通过驱动信号输入端子78从外部接收驱动信号，并向驱动电极44和46施加驱动电压。被施加了驱动电压的两个臂22和24进行面内振动。在上述情形下，当施加以检测轴为中心的角速度时，在臂22和24内产生电场。差动放大器82差动放大检测电极38、39和32的电压以及检测电极36、37和34的电压。驱动电路80与差动放大器82同步进行操作。来自差动放大器82的输出电压经过LPF84，并被直流放大器86放大。从直流放大器86输出的直流电压被作为角速度检测信号施加给检测信号输出端子88。

以下将详细列举本发明第一实施例的特征。角速度传感器包括底座10和由该底座10支撑的振子12。振子12相对于底座10的安装面11倾斜。因此，即使其上安装有角速度传感器的表面相对于地面倾斜，也可将检测轴设置在合适的方向(即，与诸如地面的基准面垂直的方向)上。振子12相对于安装面11的倾斜角是可调的，并且可以按任意角度安装角速度传感器。角速度传感器包括可弹性变形的保持部件18，并且保持部件18保持振子12。从而可以通过使保持部件18弹性变形来将振子12的检测轴设置在希望的方向上。由单一材料制成的保持部件18被折叠。因此，易于制造保持部件18。角速度传感器具有一包括振子支撑基板14、电路板20以及框架16的相对简单的结构。框架16保持振子支撑基板14和电路板20。角速度传感器能够任意地调节检测轴的角度。框架16同样具有一简单的结构，其夹着并保持振子支撑基板14。在框架16和保持部件18由单个部件构成的情况下，框架16由可弹性变形的材料制成。框架16与电路板20的多个侧边相接合，并能够容易地支撑电路板20。电路板20布置在框架16的第一侧上，而振子12和振子支撑基板14布置在框架16的第二侧上。由此，角速度传感器具有紧凑的结构。振子支撑基板14包括凹部53，而框架16包括一被装配到该凹部53中的保持部件。因此它易于组装并且可以可靠地保持振子12。角速度传感器连接至布置在振子12上的电极(如驱动电极和检测电极)，并包括穿透底座10的所述多个外部连接端子21。因此，角速度传感器能够容易地连接至外部。角速度传感器包括其上布置有连接至振子12的电路的电路板20(图11A和11B)。焊盘76布置在电路板表面上以连接至外部。从而，角速度传感器在连接至外部时具有很大的灵活性。角速度传感器包括被布置成覆盖电路板20的框架16。框架16的电路板保持部58(与电路板20相接合)与焊盘76接触。由此，框架16可容易地充当屏蔽部件。另外，角速度传感器包括底座10、振子12，以及保持底座10上的振子12的保持部件18。保持部件18是可弹性变形的。通过使保持部件18弹性变形，可以调节振子12的检测轴的角度的。因此即使角速度传感器相对于基准面倾斜，也可以将检测轴设置得垂直于基准面。

(第二实施例)

图12A和12B是根据本发明第二实施例的角速度传感器的正视图。本发明第二实施例是本发明第一实施例的变型例。图12A包括第一实施例的振子12、振子支撑基板14、框架16、保持部件18，以及电路板20，它们都被顺时针旋转了90度。图12B包括被顺时针旋转了90度的振子12、振子支撑基板14，以及保持部件18。参照图12A，保持部件18平行于底座10的安装面11，而且检测轴平行于该安装面11。然而，如果将保持部件18逆时针地旋转，则可使保持部件18相对于安装面11倾斜。参照图12B，保持部件18平行于底座10的安装面11，而且检测轴平行于该安装面11。然而，如果将保持部件18顺时针地旋转，则可使保持部件18相对于安装面11倾斜。

具有上述结构的角速度传感器具有与本发明第一实施例中相同的机制及效果。另外，在一起使用分别根据本发明的第一和第二实施例的两个角速度传感器的情况下，可以检测对应于两个检测轴的两个角速度。另外，本发明的第一和第二实施例基本上具有相同的尺寸，从而，尽管角速度传感器具有不同的检测轴，还是可以制造具有相同尺寸的角速度传感器。这使得可以很灵活地布置和安装角速度传感器。此外，可以通过添加根据本发明第二实施例的另一个角速度传感器，来检测对应于三个检测轴的三个角速度。

(第三实施例)

图13是根据本发明第三实施例的角速度传感器的正视图。将块状的振簧(vibrating reed)振子92用作振子。两个保持部件98A和98B保持在块状的振簧振子92的较长侧的边缘附近。保持部件98A和98B是框架96的一部分。也就是说，将单个部件进行折叠以形成框架96以及保持部件98A和98B。保持部件98A布置在框架96的上侧，并沿逆时针方向斜弯。保持部件98B布置在框架96的下侧，与保持部件98A成对角关系，并按与保持部件98A相同的度数沿逆时针方向斜弯。振簧振子92由保持部件98A和98B保持。对于驱动电极和检测电极，可以采用传统技术。通过使用金属线等来连接上述电极和电路板20。

如上所述，对于采用振簧振子92的角速度传感器，通过使所述两个保持部件98A和98B弹性变形，可任意调节振簧振子92的检测轴。

到此完成了对本发明第一至第三实施例的说明。

本发明提供了一种角速度传感器，即使该角速度传感器安装在一倾斜面上，它也可以相对于角速度检测用的基准面来恰当地调节检测轴。另外，本发明还提供了可以容易地调节检测轴的方向的角速度传感器。

本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出其他的实施例、变型例以及修改例。

Claims

1、一种角速度传感器，其特征在于包括：底座；由所述底座支撑的振子；由所述底座支撑的电路板；固定所述振子的振子支撑基板；以及保持所述振子支撑基板和所述电路板的框架，

其中，所述振子相对于所述底座在与所述电路板平行的平面内倾斜，并且所述框架由可弹性变形的材料制成，以使得相对于所述底座的角度能够被调节。

2、根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述框架与所述电路板的多个侧边相接合。

3、根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述电路板布置在所述框架的第一侧，而所述振子和所述振子支撑基板布置在所述框架的第二侧。

4、根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：所述振子支撑基板具有一凹部；并且所述框架具有一被装配到该凹部中的保持部件。

5、根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，还包括：布置在所述振子上的多个电极；和穿透所述底座并连接到所述多个电极的多个外部连接端子。

6、根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述电路板包括一连接至所述振子的电路和多个用于外部连接的焊盘。

7、根据权利要求6所述的角速度传感器，其特征在于，所述框架被设置为覆盖所述电路板，其中该框架的电路板保持部与所述多个焊盘接触，所述电路板保持部与所述电路板相接合。

8、根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述振子支撑基板由多层构成。

9、根据权利要求1到8中的任何一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述振子为音叉振子。

10、根据权利要求1到8中的任何一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述振子为振簧振子。

11、根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述振子为块状的振簧振子。