CN100587493C - 角速度测量传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量角速度的传感器，其通过以所述角速度旋转的单个压电音叉(21)形成。音叉包括从底座延伸的两个振动腿(23，24)，用于激励音叉第一振动并被设置在激励腿(23)上的装置(25a、25b、26a、26b)，以及用于检测响应第一振动和音叉旋转而产生的音叉第二振动、并被设置在检测腿(24)上的装置(27a、27b、28a、28b)。检测腿具有包括两个上侧面(33，34)和两个下侧面(37，38)的十字形截面，其被相对于所述面伸出的突出部分(41，42)分开。检测装置包括相对于彼此设置的第一检测电极(27a)和第二检测电极(28a)，每个被设置在上侧面(33，34)之一上，使得在第一和第二检测电极之间的电场基本直线地通过检测腿，还包括相对于彼此设置的第三检测电极(27b)和第四检测电极(28b)，每个被设置在下侧面(37，38)之一上，使得在第三和第四检测电极之间的电场基本直线地通过检测腿。
Description
技术领域
本发明总体涉及一种用于测量角速度的传感器，它由以所述角速度旋转的压电音叉形成，该音叉包括底座，激励腿和检测腿从所述底座延伸，本发明尤其涉及对检测腿上的检测电极的设置。
背景技术
从现有技术尤其是EP专利0750177已经知道，由单个音叉形成的陀螺测试仪具有底座，从所述底座延伸出在其上设置激励电极的第一腿和在其上设置检测电极的第二腿。
图1示出可以用于陀螺测试仪的音叉1的例子。图1a中的纵向截面所示的音叉1主要包括被固定到两条腿3、4上的底座2，该组件由压电石英材料构成。如图1b中的横截面所示，每个腿3、4包括电极。激励腿3包括第一对彼此连接的激励电极5a、5b，在与图1a对应的主平面中，以该音叉的谐振频率将交流的电信号施加到所述电极；以及彼此连接的第二对激励电极6a、6b，并将与施加到电极5a和5b的电信号反相的交流电信号施加到此。这些交流的电信号的施加激励并且从而引起音叉1的腿3和4在第一平面机械振动，如箭头9所示。检测腿4包括第一对彼此连接的检测电极7a、7b和第二对彼此连接的检测电极8a、8b，它们将检测腿的机械振动转换成通过与所述的电极连接的检测电路检测的电信号。
根据音叉陀螺测试仪的原理，当将激励信号施加到激励电极5a-5b、6a-6b时，音叉1相对于其纵轴10的角转动产生垂直于激励腿的速度和旋转轴10的科里奥利力，从而在与激励振动平面垂直的平面中在检测腿4中产生振动，如箭头11所示。通过音叉1的压电石英将该机械振动转换为由音叉检测电极7a-7b、8a-8b检测的电信号。
采用这种检测电极设置所观察到的一个主要问题是，将在被施加相反电信号的两个检测电极之间检测的场的电通路不是线性的，从而丢失了场线的不可忽略的部分。因此这种检测测量不是最佳的。
理论上有利的方案是如图1c所示设置的两对检测电极7a-7b、8a-8b。然而，该方案具有一个较大的缺点，即其需要实施难于控制的复杂的制造方法。实际上，通过“电极沉积”制造音叉侧面上的电极，这必须在侧面的整个厚度上进行。因此，很难将电极沉积分为两个，以便获得所需的两个不同的电极7b、8b。而且，这种陀螺测试仪被成批地制造，即彼此相连。这样，也很难将在音叉外侧面上制造的电极沉积分为两个不同的电极7a、8b。
而且，上述各种方案还具有另外的缺点，即音叉的尺寸，用在板状陀螺测试仪上的音叉理所当然优选尽可能的小型化。
发明内容
本发明的一个主要目的是通过制造这样的用于测量角速度的传感器来克服上述缺陷，所述传感器采用具有音叉的压电谐振器的形式，该音叉具有这样的检测电极结构，所述电极结构在使用容易实施的制造方法的同时，确保了对在检测腿中产生的电场的最佳测量。
因此，在本发明的范围内，以这样的方式设置检测电极，使得一方面其制造方法简单，另一方面在检测腿中检测的电场线在相异的电极之间沿基本直线的电通路穿过检测腿。为此，在音叉检测腿的侧面上设置突出部分，使得在顶部设置的检测电极可以容易地与在腿的底部设置的检测电极分开。
因此，根据本发明的优选实施例，本发明涉及根据说明书开始部分的用于测量角速度的传感器，其特征在于，检测腿具有包括两个上侧面和两个下侧面的十字形截面，通过相对于上侧面和下侧面伸出的突出部分来分开上侧面和下侧面，其特征还在于，检测装置包括相对于彼此设置的第一和第二检测电极，每一个被设置在上侧面之一上，使得在第一和第二检测电极之间的电场基本直线地通过检测腿；还包括相对于彼此设置的第三和第四检测电极，每一个被设置在下侧面之一上，使得在第三和第四检测电极之间的电场基本直线地通过检测腿。
同样，为了小型化，优选将机械解耦装置设置在音叉的底座，从而进一步减小了后者的尺寸。
附图说明
通过阅读对只是作为非限制性实例给出的、并由附图示出的本发明实施例的详细描述，本发明的其它特征和优点将更加显而易见。
已经描述的图1a是用于根据现有技术的某种陀螺测试仪的音叉的纵向截面图；
已经描述的图1b是图1a的音叉的激励和检测腿的横向截面I-I；
已经描述的图1c是具有对检测电极的优化设置的音叉的激励和检测腿的横向截面图；
图2a是用于根据本发明第一实施例的陀螺测试仪的音叉的纵向截面图；
图2b是根据图2a的音叉的激励和检测腿的放大的横向截面II-II；
图2c是根据本发明第一实施例的变化的音叉两个腿的放大的横向截面图；
图3a是根据本发明第二实施例的音叉的激励和检测腿的放大的横向截面图；
图3b是根据本发明第二实施例变化的音叉的激励和检测腿的放大的横向截面图。
具体实施方式
根据图2a和2b中示出的本发明的第一优选实施例，用于测量角速度的装置包括由以角速度旋转的单个压电(常规为石英)的音叉21形成的传感器，音叉21由底座形成，两个平行的腿23、24从底座延伸、由槽分开，并且每一个载有形成具有相反极性的电极的导电沉积物，电极产生并检测腿中的交流电场，其导致音叉由于压电变形而振动，所述振动又导致形成交流电场。
在两个腿之一上设置激励装置25、26，称为激励腿23，以便响应激励信号而产生传感器在第一方向上的预定频率的振动，所述频率优选对应于音叉在其X-Y平面中的谐振频率。图2b为沿图2a的轴II-II的横截面图，根据图2b中示出的例子，激励腿23优选具有十字形截面，包括两个上侧面31-32和两个下侧面35-36，上侧面和下侧面通过突出部分39-40分开，所述突出部分39-40优选相对于上下侧面基本沿X轴伸出。根据第一实施例，激励装置包括分别设置在激励腿的上侧面31-32和下侧面35-36上的第一对激励电极25a和25b、和分别设置在激励腿的突出部分39和40的整个厚度上的第二对激励电极26a和26b或侧向电极。
将电极设置成将其这样电连接，其中将其常规中央电极25a和25b连接到激励源的一个极，将侧向电极26a和26b连接到激励源的异性极；主要通过沉积在音叉本身上的导电通路来实现这些连接。在图2a的例子中，以振荡器43的形式示出激励源。在工作期间，通过弯曲音叉的激励腿23可以保持谐振器的振动，这归因于在腿23、24的面中的横向交流电场。
在音叉的称为检测腿24的另一条腿中设置检测装置27，28，以便响应传感器的第二振动产生电检测信号，由于第一振动和关于纵轴10的旋转，所述第二振动具有相同的预定频率并在垂直于第一方向的第二方向上。第二振动包括其振幅表示角速度的有效分量。
包含上文描述的音叉的陀螺测试仪还包括适当的测量装置，其以接收器44的形式示出，由于其结构取决于测量传感器角速度所为的目的，所以在此将不描述所述接收器44，该测量装置通过电检测信号提供表示角速度的测量信号。
同样，根据图2b示出的例子，检测腿23具有十字形截面，包括两个上侧面33-34和两个下侧面37-38，通过相对于上下侧面伸出的优选基本沿x轴的突出部分41-42分开上侧面和下侧面。
检测装置包括第一27a和第二28a检测电极，其分别被相对于彼此地设置在一个上侧面33和另一个上侧面34上，使得在两个电极27a和28a之间的电通路基本上直线通过检测腿24。检测装置还包括第三27b和第四28b检测电极，其分别被相对于彼此地设置在一个下侧面37和另一个下侧面38上，使得在两个电极27b和28b之间的电通路基本上直线通过检测腿24。将电极27a和27b连接到检测器44的第一极，将电极28a和28b连接到与第一极相异的检测器44的第二极。从而，在提供类似于在EP专0750177中公开的简单电极沉积方法的同时，还最优化了对在检测腿中产生的电场的检测。
同样出于小型化的原因，优选将机械解耦件45设置在用于将音叉底座固定到陀螺测试仪的部件46和振动腿23，24之间。根据第一种变化，这些机械解耦装置通过在底座上部制造的凹口45形成。根据在此未示出的第二种变化，这些机械解耦装置通过在底座上部中心部分设置的孔形成。也可以考虑使用上述变化的组合。
应该注意，在下面将描述的图2c、3a和3b中，为了简化，没有再示出振荡器43和检测器44。
图2c示出相对于图2a和2b描述的音叉的变化。该变化与第一实施例的不同之处在于对激励腿23上的激励电极的设置。
根据该变化，可选的是，激励装置包括分别设置在激励腿的上部和下部的、不覆盖上侧面31-32和下侧面35-36的第一对激励电极25a和25b，以及第二对电极或分别为中央电极26a和26b或侧向电极，其分别被设置在激励腿的突出部分39和40的整个厚度上，并至少部分覆盖各个上和下侧面31和35，32和36。
图3a示出用于根据本发明第二实施例的陀螺测试仪的音叉的横截面。每个激励腿23和检测腿24具有基本为十字形的截面，分别包括两个上侧面31-32和33-34和两个下侧面35-36和37-38，通过优选基本上沿x轴相对于上侧面和下侧面分别伸出的突出部分39-40和41-42来分开上侧面和下侧面。两个腿中的每个包括各自的顶面47和48、以及各自的底面49和50，其优选基本在X，Y平面。
在图3a所示的例子中，激励腿23包括在其顶面47上腐蚀的两个槽51-52和在其底面49上腐蚀的两个槽53-54。然而，可以考虑，可选地在顶面和底面的每一个上仅提供一个槽。
激励装置包括在顶面47上设置的、以便横向覆盖槽51-52的第一激励电极25a和在底面49上设置的、以便横向覆盖槽53-54的第二激励电极25b。激励装置还包括第三26a和第四26b激励电极，或侧向电极，其连接到与第一电极25a和25b连接的电势相反的电势，并被设置在激励腿各自的突出部分39和40的整个厚度上，而且至少部分覆盖上侧面31和32和下侧面35和36。
以相同方式，检测腿24包括在其顶面48上腐蚀的两个槽55-56和在其底面50上腐蚀的两个槽57-58。每个槽55-58具有侧面。然而，对于激励腿，可以考虑可选地在顶面和底面上仅提供一个槽。还应注意，在两个面上设置槽提供了对称的腿截面，它防止了在其面外侧的腿的变形。槽的设置促进了沿晶体的电轴X的均匀电场的产生。
再根据图3a，检测装置包括相对于彼此设置的第一对检测电极27a-28a，将电极28a设置在上侧面33上，将另一电极27a设置在槽55的一个侧面上，使得在两个电极27a和28a之间的电场基本上直线通过腿24，还包括相对于彼此设置的第三对检测电极27c-28c，将电极27c设置在上侧面34上，将另一电极28c设置在槽56的一个侧面上，使得在两个电极27c和28c之间的电场基本上直线通过检测腿24。以对称的方式，检测装置包括相对于彼此设置的第二对检测电极27b-28b，将电极28b设置在下侧面38上，将另一电极27b设置在槽58的一个侧面上，使得在两个电极27b和28b之间的电场基本直线通过腿24，还包括相对于彼此设置的第四对检测电极27d-28d，将电极27d设置在下侧面37上，将另一电极28d设置在槽57的一个侧面上，使得在两个电极27d和28d之间的电场基本直线通过检测腿24。
根据第二实施例，在激励腿和检测腿的每个顶面和底面上纵向腐蚀的槽55-58的深度在腿厚度的20％到45％之间，优选在30％左右。
在腿的厚度中腐蚀的槽中设置电极提高了压电耦合。在相同的尺寸下，该提高导致音叉等效电阻的降低，从而降低了与其相关的振荡器的功耗，因为具有相等的品质因数，该设置允许谐振器尺寸的减小。
根据第二实施例的变化，如图3b所示，激励腿和检测腿在每个顶面和底面上仅具有一个槽。在这种情况下，在激励腿的顶面和底面上设置的激励电极横向覆盖相应的槽。关于检测装置，它们包括相对于彼此设置的第一对检测电极27a-28a，将电极28a设置在上侧面33上，将另一电极27a设置在槽59的一个侧面上，使得在两个电极27a和28a之间的电场基本直线地通过检测腿24，还包括相对于彼此设置的第三对检测电极27c-28c，将电极27c设置在上侧面34上，将另一电极28c设置在槽59的另一个侧面上，使得在两个电极27c和28c之间的电场基本直线地通过检测腿24。以对称的方式，检测装置包括相对于彼此设置的第二对检测电极27b-28b，将电极28b设置在下侧面38上，将另一电极27b设置在槽60的一个侧面上，使得在两个电极27b和28b之间的电场基本直线地通过腿24，还包括相对于彼此设置的第四对检测电极27d-28d，将电极27d设置在下侧面37上，将另一电极28d设置在槽60的另一个侧面上，使得在两个电极27d和28d之间的电场基本直线地通过检测腿24。
应该注意，优选如图2a、2b和3a、3b所示，压电音叉是石英的，其主要的顶面和底面基本垂直石英的光轴(z)，并且腿基本沿石英的机械轴(y)延伸。
显然，本领域的技术人员可以对本说明书中描述的本发明的各种实施例进行各种变化和改进，特别应该注意，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的情况下，可以互换检测腿和激励腿，从而将激励腿用作检测腿，反之亦然；可以将机械解耦装置用于此前提出的每个实施例；所谓的交叉型(crossed)电极音叉方案是可行的，其中在两腿之间颠倒激励电极对和检测电极对。
Claims (8)
1.一种用于测量角速度的传感器，其通过以下形成：
单个压电音叉(21)，其以所述角速度旋转，
所述音叉包括从底座延伸的第一振动腿(23)和第二振动腿(24)，
用于激励所述音叉的第一振动的装置(25a、25b、26a、26b)，其被设置在所述两个腿中被称为激励腿(23)的一个腿上，
用于检测所述音叉的第二振动的装置(27a、27b、28a、28b)，所述第二振动响应所述第一振动和所述音叉的旋转而产生，所述检测装置被设置在所述两个腿中被称为检测腿(24)的另一个腿上，
其特征在于，所述检测腿(24)具有包括两个上侧面(33，34)和两个下侧面(37，38)的十字形截面，所述上侧面和下侧面被相对于所述上侧面和下侧面伸出的突出部分(41，42)分开，以及
所述检测装置包括被相对于彼此设置的第一检测电极(27a)和第二检测电极(28a)，其中每个被设置在所述上侧面(33，34)中的一个上，使得在所述第一和第二检测电极之间的电场基本直线地通过所述检测腿；还包括被相对于彼此设置的第三检测电极(27b)和第四检测电极(28b)，其中每个被设置在所述下侧面(37，38)中的一个上，使得在所述第三和第四检测电极之间的电场基本直线地通过所述检测腿。
2.根据权利要求1的用于测量角速度的传感器，其特征在于，所述激励腿(23)具有包括两个上侧面(31，32)和两个下侧面(35，36)的十字形截面，所述激励腿(23)的上侧面(31，32)和下侧面(35，36)被相对于所述激励腿(23)的上侧面(31，32)和下侧面(35，36)伸出的第一突出部分(39)和第二突出部分(40)分开，以及
所述激励装置包括分别被设置在所述激励腿的上部和下部的、分别覆盖所述激励腿(23)的上侧面(31，32)和所述下侧面(35，36)的第一对激励电极(25a，25b)；还包括第二对激励电极(26a，26b)，所述第二对激励电极(26a，26b)的每个电极被设置在所述激励腿的一个所述突出部分(39)或另一个所述突出部分(40)的厚度上。
3.根据权利要求1的用于测量角速度的传感器，其特征在于，所述激励腿(23)具有包括两个上侧面(31，32)和两个下侧面(35，36)的十字形截面，所述激励腿(23)的上侧面(31，32)和下侧面(35，36)被相对于所述激励腿(23)的上侧面(31，32)和下侧面(35，36)伸出的第一突出部分(39)和第二突出部分(40)分开，以及
所述激励装置包括分别被设置在所述激励腿的上部和下部的、不覆盖所述激励腿(23)的上侧面(31，32)和下侧面(35，36)的第一对激励电极(25a，25b)；还包括第二对激励电极(26a，26b)，所述第二对激励电极(26a，26b)中的每个电极被设置在所述激励腿的一个所述突出部分(39)或另一个所述突出部分(40)的厚度上，并且至少分别部分覆盖被设置在所述第一突出部分(39)的任一侧上的所述激励腿(23)的上侧面(31)和下侧面(35)、被设置在所述第二突出部分(40)的任一侧上的所述激励腿(23)的上侧面(32)和下侧面(36)。
4.根据权利要求1到3中任一项的用于测量角速度的传感器，其特征在于，所述检测腿的所述十字形截面具有连接所述检测腿(24)的两个上侧面(33，34)的顶面(48)和连接所述检测腿(24)的两个下侧面(37，38)的底面(50)，
每个所述顶面和底面具有至少一个槽(55，58；59，60)，所述槽具有侧面，
包括所述第一检测电极(27a)和第二检测电极(28a)的第一对检测电极的至少一个电极(27a)被设置在所述顶面上的所述至少一个槽(55；59)的一个所述侧面上，使得在所述第一检测电极(27a)与所述第二检测电极(28a)之间的电场基本直线地通过所述检测腿，以及
包括所述第三检测电极(27b)和第四检测电极(28b)的第二对检测电极的至少一个电极(27b)被设置在所述底面上的所述至少一个槽(58；60)的一个侧面上，使得在所述第三检测电极(27b)与所述第四检测电极(28b)之间的电场基本直线地通过所述检测腿(24)。
5.根据权利要求4的用于测量角速度的传感器，其特征在于，每个所述顶面(48)和底面(50)包括单个槽(59，60)，
所述检测装置还包括被相对于彼此设置的第三对检测电极(27c，28c)，所述第三对检测电极(27c，28c)中的一个电极(28c)被设置在所述顶面的所述槽(59)的另一个侧面上，所述第三对检测电极(27c，28c)的另一个电极(27c)被设置在所述检测腿(24)的上侧面(34)上，使得在所述第三对检测电极(27c，28c)的两个电极之间的电场基本直线地通过所述检测腿(24)，以及
所述检测装置还包括被相对于彼此设置的第四对检测电极(27d，28d)，所述第四对检测电极(27d，28d)中的一个电极(28d)被设置在所述槽(60)的另一个所述侧面上，所述第四对检测电极(27d，28d)的另一个电极(27d)被设置在所述检测腿(24)的下侧面(38)上，使得在所述第四对检测电极(27d；28d)的两个电极之间的电场基本直线地通过所述检测腿。
6.根据权利要求4的用于测量角速度的传感器，其特征在于，每个所述顶面(48)和底面(50)包括两个槽(55-56，57-58)，
所述检测装置还包括被相对于彼此设置的第三对检测电极(27c，28c)，所述第三对检测电极的一个电极(28c)被设置在所述顶面的另一所述槽(56)的一个侧面上，所述第三对检测电极的另一个电极(27c)被设置在所述检测腿(24)的上侧面(34)上，使得在所述第三对检测电极(27c-28c)的两个电极之间的电场基本直线地通过所述检测腿，以及
所述检测装置还包括被相对于彼此设置的第四对检测电极(27d，28d)，所述第四对检测电极(27d，28d)的一个电极(28d)被设置在所述两个槽中的另一个(57)的一个所述侧面上，所述第四对检测电极(27d，28d)的另一个电极(27d)被设置在所述检测腿的下侧面(37)上，使得在所述第四对检测电极(27d，28d)的两个电极之间的电场基本直线地通过所述检测腿。
7.根据权利要求1或2的用于测量角速度的传感器，其特征在于，所述压电音叉是石英的，其顶面(48)和底面(50)基本垂直所述石英的光轴(z)，并且所述腿基本沿所述石英的机械轴(y)延伸。
8.根据权利要求1或2的用于测量角速度的传感器，其特征在于，所述底座在用于固定所述底座的部件(46)和所述音叉的所述腿(23，24)之间被设置有机械解耦装置(45)。
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