CN102695941A - 陀螺仪传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陀螺仪传感器(2)，其包括：传感元件(4)，其被设计成振动；电极支承架(8)，其能够支承用于激发所述传感元件(4)和用于探测所述传感元件(4)的振动的激发/探测电极(20)；以及支撑元件(10，16)，其用于支撑所述电极支承架(8)，其中，所述支撑元件(10，16)包括基座(10)，所述基座(10)由密度小于5kg/dm³并且杨氏模量除以所述密度的比率的平方根大于9GPa^1/2·dm^3/2/kg^-1/2的材料制成。

Description

陀螺仪传感器

技术领域

本发明涉及一种陀螺仪传感器，其包括：

-传感元件，其被适当设计成振动；

-电极支承架，其能够支承激发电极和用于探测传感元件的振动的探测电极；以及

-用于支撑电极支承架的元件。

背景技术

用来支撑电极支承架的元件包括基座以及位于所述基座和所述电极支承架之间的减振元件。所述减振元件被设计成相对所述基座的尺寸变化来对所述电极支承架和所述传感元件减振，所述尺寸变化由传感器受到的热变化而引起。例如，减振元件包括用于电极支承架的支撑杆，所述支撑杆被设计成完全穿过所述基座，以在所述电极和电子电路之间传输信号，如专利申请FR 2 805 039中所述。

这种传感器通常被固定到称作惯性芯部的支架。容易振动或接收震动的支承架设有惯性测量系统，惯性芯部被整合到惯性测量系统中。由于传感器被牢固地连接到惯性芯部，所以其在支承架的使用中经受这些振动。由支承架的振动引起的传感元件振动模式在下面被称为依附振动模式。

为了不放大来自支承架的振动，这种传感器的基座通常由硬材料制成。例如，基座是厚度为10mm、质量大约70g的金属板。因此，惯性传感器比较重且体积大。

相关的惯性信息包含在陀螺仪传感器的振动共振频率的两侧100赫兹的频率范围内。该惯性信息包括有关陀螺仪传感器的支承架的旋转角度或旋转速度的信息。陀螺仪传感器的振动共振频率在下面称作“有用”振动模式。机械依附振动模式和“有用”振动模式之间的干扰会损害陀螺仪传感器的性能。

为了保证陀螺仪传感器的最佳性能，期望提供一种陀螺仪传感器，其具有完全不同于“有用”振动模式的第一依附振动模式。

发明内容

本发明的一个目的特别在于提供一种质量轻且紧凑的陀螺仪传感器，其受机械依附振动模式影响更小。

本发明的另一目的是提供一种用于获得更精确的旋转角度测量结果的陀螺仪传感器。

本发明的又一目的是提供一种具有电连接件从其穿过的密封基座的陀螺仪传感器。

为此，本发明的主题是一种陀螺仪传感器，其包括：

-用来振动的传感元件；

-电极支承架，其能够支承用于激发所述传感元件和用于探测所述传感元件的振动的电极；以及

-支撑元件，其用来支撑所述电极支承架；

所述传感器的显著特征在于所述支撑元件包括基座，所述基座由密度小于5kg/dm³以及杨氏模量除以所述密度的比率的平方根大于9GPa^1/2·dm^3/2/kg^-1/2的材料制成。

根据具体实施例，陀螺仪传感器具有一个或多个下面的特征：

-所述基座的制造材料的密度在1.5kg/dm³和5kg/dm³之间，并且杨氏模量除以所述密度的比率的平方根在9GPa^1/2·dm^3/2/kg^-1/2和12GPa^1/2·dm^3/2/kg^-1/2之间；

-所述材料包括铍；

-所述材料包括陶瓷；

-所述陶瓷是氧化铝陶瓷；

-所述陶瓷是共烧陶瓷；

-所述基座通过高温共烧陶瓷层和集成的电连接件形成；

-所述基座通过低温共烧陶瓷层和集成的电连接件形成；

-根据本发明的陀螺仪传感器包括与所述基座集成的电连接件以及和所述电连接件电连接的电子电路；

-所述支撑元件包括位于所述基座和所述电极支承架之间的传导支撑杆，所述支撑杆在一侧焊接到所述电连接件的电触头，并在另一侧连接到所述电极支承架的激发/探测电极；

-根据本发明的陀螺仪传感器包括用于保护焊接到所述基座上的电子电路的外壳；

-所述基座包括与之集成的销阵列和附加销阵列，所述销阵列位于所述外壳的内侧，所述附加销阵列位于所述外壳的外侧，其中所述基座的至少一些电连接件能够使得所述销阵列和所述附加销阵列互连；

-根据本发明的传感器被设计成固定到惯性芯部，所述传感器包括：

-护环，其布置在所述电极支承架上；以及

-电连接部件，其用于将所述护环连接到所述电子电路和/

或所述外壳，所述电连接部件被连接到所述惯性芯部的电接地；

-根据本发明的陀螺仪传感器被设计成固定到惯性芯部，所述传感器包括固定到所述基座的罩，所述罩被连接到所述惯性芯部的电接地；

-所述陀螺仪传感器包括沿轴向方向的至少一个弹性电耦合器，所述耦合器布置在所述电极支承架和所述基座之间；以及

-所述陀螺仪传感器被设计成通过四个固定元件固定到惯性芯部。

附图说明

通过阅读下面仅以示例方式并结合附图给出的描述将更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的陀螺仪传感器的透视图；

图2是图1中所示的陀螺仪传感器的轴向剖视图；

图3是图1中所示的陀螺仪传感器的基座的俯视图；

图4是图1中所示基座的仰视图，所述基座还未设置罩和电子电路；以及

图5是图表，其示出了根据不同材料和合金的密度，杨氏模量除以密度的比率的平方根。

具体实施方式

本发明结合具有钟形或球帽形共振器的陀螺仪传感器来描述。但是，本发明还可应用到任何其它类型的惯性传感器，特别是加速器。

参见图1和图2，根据本发明的陀螺仪传感器2包括：

-传感元件，下面称作共振器4，其可特别具有半球形状(如图所示)，并具有用于固定传感元件的轴6；

-支承操作共振器4所需的电极的部分，下面称作电极支承架8，共振器4的轴6锚固到电极支承架8内；

-基座10，用于将陀螺仪传感器固定到被称作惯性芯部11的支架；以及

-罩12，其固定到基座10，并与基座10形成收容电极支承架8和共振器4的真空密封腔室14。为了吸收可能损害密封腔室内的真空质量的残余颗粒或气体，在腔室14内布置吸气剂。

电极支承架8可具有不同的结构。它可以是平坦的，具有朝向共振器4的末端表面15布置的电极，如图2所示。它还可以是半球状的，具有朝向共振器的内表面布置的电极。该结构没有图示。

电极支承架8由八个传导支撑杆16支撑，传导支撑杆16由基座10支撑。

支撑杆16被设计成在电极支承架8和基座10具有不同热膨胀的情形下或在具有平行于基座10的平面的加速或震动的情形下弹性地变形。

支撑杆16的下端被焊接到基座10。该焊接是在理想限定位置在两个平面表面之间进行的，从而可能精确地知道支撑杆的振动频率，以便于通过数字滤波消除其依附振动。

共振器4的末端表面15和外边缘15A被金属化。它们被设计在预定的电势。为此，共振器4的内表面和轴6具有到达末端表面15的电连接件18。

电连接件18被连接到大致位于轴6下方的第一电耦合器28。该第一电耦合器28沿着共振器的轴6的轴向方向以及垂直于轴向的方向具有弹性。由于支撑杆16被设计成在轴6的任一侧上对称地变形，沿第一电耦合器28的轴向方向的变形使其可能补偿电极支承架8和基座10之间距离上的由于二者之间的加速、震动或不同的热膨胀引起的任何变化。

第一电耦合器28包括例如固定到基座10的柱30和固定到柱30并与电连接件18接触的弹簧32。

用于激发共振器4和用于探测共振器4的振动的电极20以及连接到电极20的护环(未示出)被布置在电极支承架8上。

特别地，每个电极20在电极支承架的主表面22、末端表面24和与主表面22相对的另一主表面26上方延伸。支撑杆16例如通过传导粘合剂或焊接固定到电极支承架的电极20上。

与第一电耦合器28类似，第二电耦合器29能够将电极支承架8的护环连接到基座10。

激发/探测电极20与共振器的末端表面15相对地延伸。激发/探测电极20包括朝着基座10的边界延伸的T形部。护环具有延伸到激发/探测电极20内部的中心部，延伸到激发/探测电极20外部的至少一个外围部，以及在激发/探测电极20之间延伸的至少一个连接部，用来将中心部连接到外围部。

在激发/探测电极20和末端表面15之间的场线使得共振器的振动能够被测量。共振器的末端表面15的每一侧上的场线朝向护环的中心部和外围部偏斜。

基座10设有四个将其固定到惯性芯部11的元件33，该元件33例如通过光滑孔或螺纹孔形成。作为变型，基座10被夹紧到惯性芯部11。根据另一变型，光滑孔或螺纹孔形成在基座10上，以将传感器固定到惯性芯部。作为变型，基座10设有不同数目的将其固定到惯性芯部11的元件33。

对于厚度为“h”、边长为“a”并在离基座10的各个边缘距离为“b”的四个点上固定的方形基座10，分析计算建模能够发现机械依附振动模式根据下面方程式变化：

$F_1=\frac{h{\mathrm{\λ}}_1^2}{2\mathrm{\π}{a}^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}*\frac{1}{12*(1-v^2)}}$

其中，h是基座10的厚度，

a是基座10的边长，

λ₁是取决于边长a和距离b的参数，

E是基座10的材料的杨氏模量，

ρ是基座10的材料的密度，

v是基座10的材料的泊松比。

寻求具有不同于“有用”振动模式的第一依附振动模式的轻量陀螺仪传感器的问题可以看作是寻求最小厚度h_min，使得F₁≥F。上面的方程式可以改写为：

$h_{\min i}=F\frac{2\mathrm{\π}{a}^2}{{\mathrm{\λ}}_1^2}*\frac{1}{\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}*\frac{1}{12*(1-v^2)}}}$

已经测试了200种不同的材料和合金。从图5上可见一些结果。从图5中可以看出，通过选取密度小于5kg/dm³并且杨氏模量除以密度的比率的平方根大于9GPa^1/2·dm^3/2·kg^-1/2的材料可改进陀螺仪传感器，即，

ρ＜5kg·dm^-3

$\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}>9{\mathrm{GPa}}^{1/2}\·{\mathrm{dm}}^{3/2}\·{\mathrm{kg}}^{-1/2}$

其中，E是所考虑的材料的杨氏模量，ρ是材料的密度。

优选地，所述材料的密度在1.5和5kg/dm³之间，杨氏模量除以密度的比率的平方根在9GPa^1/2·dm^3/2·kg^-1/2和12GPa^1/2·dm^3/2·kg^-1/2之间，即，

1.5kg·dm^-3＜ρ＜5kg·dm^-3

$9{\mathrm{GPa}}^{1/2}\&CenterDot;{\mathrm{dm}}^{3/2}\&CenterDot;{\mathrm{kg}}^{-1/2}<\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\&rho;}}}<12{\mathrm{GPa}}^{1/2}\&CenterDot;{\mathrm{dm}}^{3/2}\&CenterDot;{\mathrm{kg}}^{-1/2}$

相比于用于基座10的其它常用材料，这种材料的使用将减少依附振动模式并减小基座的质量和尺寸，其中质量减少2或3，尺寸减少2(reducing the mass from two or three and the size of the base oftwo)。

根据本发明的第一个实施例，该材料包括铍。优选地，基座10全部由铍或铍合金制成。根据该实施例，支撑杆完全穿过基座并通过形成玻璃密封件来密封地固定到基座。

根据本发明的第二个实施例，该材料包括陶瓷，优选包括氧化铝陶瓷。根据本发明，陶瓷是具有水晶结构或部分水晶结构的玻璃体或非玻璃体，或是玻璃，陶瓷本体由基本无机非金属物质形成，由通过冷却硬化的熔融物质形成，或在形成同时或其后通过加热来完成(ASTM C 242)。在氧化物、非氧化物(氮化物、碳化物、硼化物等)和复合陶瓷合金氧化物和非氧化物之间加以区别。

有利地，基座10具有大约4mm的厚度和大约20g的质量。

特别地，基座10通过共烧陶瓷层、第一电连接件34、第二电连接件35和销形成。

优选地，陶瓷在高温下共烧。

作为变型，陶瓷在低温下共烧。

用来制造高温共烧陶瓷基座和低温共烧陶瓷基座的工艺通常被称作HTCC(高温共烧陶瓷)和LTCC(低温共烧陶瓷)工艺。

第一电连接件34将八个支撑杆16、第一电耦合器28和第二电耦合器29连接到电子电路36。电子电路36被连接到基座的表面38(下文称作下表面38)，下表面38位于朝向电极支承架的表面40(下文称作上表面40)的相反一侧。

参见图3和图4，第一电连接件34包括位于基座的上表面40上的八个电触头42。这些电触头42被电连接到下表面38上的具有八个销的第一销阵列44。电触头42被焊接到八个支撑杆16。具有八个销的第一销阵列44通过电连接件、焊接或超声结合(也称作球形结合或楔形结合)来连接到电子电路36。

第一电连接件34包括上表面40上的电触头46。电触头46被焊接到第二电耦合器29，并被电连接到下表面38上的四个销48。四个销48被连接到电子电路36。

四个销48还能够将电子卡36保持在离基座10预定距离处，以将电子组件布置在电子卡的任一侧上。作为变型，销48被电连接件取代，电子卡例如通过粘合剂结合直接固定到表面38。

进一步，第一电连接件34包括上表面40上的电触头50。该电触头50被电连接到下表面38上的销52。电触头50被焊接到第一电耦合器28。销52用来接收高电压，该高电压将通过第一电耦合器38施加到共振器的末端表面15。

整合到基座10的第二电连接件35(如图4中示意性示出的那些)包括基座的下表面38上的第二销阵列54和第三销阵列56。第二销阵列54被电连接并密封连接到第三销阵列56。第二销阵列54被连接到电子电路36。第三销阵列56用来连接到陀螺仪传感器2外部的连接器。

作为变型，销阵列56的一些销还可用来相对基座10机械保持外部连接器。

陀螺仪传感器2还包括用来保护电子电路36的外壳58。该外壳58包括焊接到基座的下表面38的框架60和固定到框架60的盖62。外壳58使得电子电路36能够保持在可控状态下。

外壳58的框架60仅在基座的下表面38的一部分上方延伸。外壳58被设计成包含电子电路36、第一销阵列44、第二销阵列54和销48。第三销阵列56和销52布置在外壳58的外面。

作为变型，销阵列44、54和56被金属化焊盘取代。

电连接部件20、29、33、34、35和48使得陀螺仪传感器2的电接地能够连接到芯部11的电接地。特别地，电极支承架8上布置的护环、电子电路36、外壳58、罩12、第二销阵列54、和第三销阵列56通过一些电极20、第二电耦合器29、一些电连接件34、35、固定元件33和销48被连接到惯性芯部11的电接地。连接到电接地的这些元件形成“法拉第笼”，法拉第笼被设计来确保陀螺仪传感器能够在包含电磁波的环境中运行。

有利地，在盖62没有安装到框架60上时，可通过连接件(特别是连接到第一销阵列44的连接件)来简单地测试陀螺仪传感器2。然后，当陀螺仪传感器已经被测试时，电子电路36被连接到基座的销上，并且盖62被固定到框架60。

有利地，基座被制成单个零件，支撑杆16没有穿过基座10，所以基座是完全密封的。

有利地，通过将支撑杆16的末端焊接到基座的平坦上表面40，可能使支撑杆的振动模式被更好地控制。

有利地，共烧陶瓷基座的使用使得销阵列44能够自由地布置，以减小电子卡36的占据的体积。

在现有技术的陀螺仪传感器中，支撑杆完全穿过基座并通过在支撑杆和形成在基座上的孔之间形成玻璃密封、即熔化玻璃滴来密封地固定到基座。通过冷却硬化的熔融玻璃滴所处的位置不能精确地控制。但是，支撑杆的振动频率取决于支撑杆固定到基座上的位置。该振动频率影响通过受到振动或震动的陀螺仪传感器进行的旋转角度测量结果。

在正在振动的陀螺仪传感器中，振动频率通常是几kHz(例如，3kHz)，并且必须被精确地控制到例如±100Hz。由于现有技术的陀螺仪传感器中玻璃滴硬化的位置不能精确地控制，所以每个支撑杆的振动频率可能是不同的。因此，振动频率不能通过处理现有的陀螺仪传感器的电子器件而简单地纠正。进而，考虑到穿过基座的支撑杆的数目以及获得理想玻璃密封的难度，很难良好地密封现有技术的陀螺仪传感器的基座。

本发明还有另一个目的是提供一种改进至少一个上述问题的陀螺仪传感器。

为了后一目的，本发明的主题是一种陀螺仪传感器，其包括：

-传感元件4，其被设计成振动；

-电极支承架8，其能够支承激发电极20和用于探测所述传感元件的振动的探测电极20；以及

-支撑元件10、16，其用于支撑所述电极支承架，

其中，所述支撑元件10、16包括基座10，基座10由绝缘材料形成，并且电连接件34、35被整合到基座10。

电连接件34穿过基座10，其被基座的材料包围，而没有被任何其它材料包围。电连接件34的整合通过例如高温共烧或低温共烧等用来制造集成电路的方法进行。基座10是一体的，即整体的。因此，基座10是一个部件。基座10没有被支撑杆或任何其它通孔穿过。因此，支撑杆的振动频率不再影响通过陀螺仪传感器进行的旋转角度的测量结果。有利地，基座10是更加密封的。有利地，陀螺仪传感器的制造工艺被简化，因此更便宜。

陀螺仪传感器的基座10可由如下材料制成，该材料不具有：

-小于5kg/dm³的密度，以及

-杨氏模量除以所述密度的比率的平方根大于9GPa^1/2·dm^3/2/kg^-1/2。

例如，基座10可由陶瓷制成，例如出售的注册商标为“Dupont951”和“Dupont 943”的材料，以及例如“Ferro A6M”和“Ferro A6S”等金属混合物。

在其它变型中，该陀螺仪传感器可包括权利要求6到16中任一所述的特征。

Claims (16)

1.一种陀螺仪传感器(2)，其包括：

-传感元件(4)，其具有半球形或钟形形状，所述传感元件(4)被设计成振动；

-电极支承架(8)，其能够支承用于激发所述传感元件(4)和用于探测所述传感元件(4)的振动的激发/探测电极(20)；以及

-支撑元件(10，16)，其用于支撑所述电极支承架(8)，

其特征在于，所述支撑元件(10，16)包括基座(10)，所述基座(10)由密度小于5kg/dm³并且杨氏模量除以所述密度的比率的平方根大于9GPa^1/2·dm^3/2/kg^-1/2的材料制成。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述材料的密度在1.5kg/dm³和5kg/dm³之间，杨氏模量除以所述密度的比率的平方根在9GPa^1/2·dm^3/2/kg^-1/2和12GPa^1/2·dm^3/2/kg^-1/2之间。

3.根据权利要求1所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述材料包括铍。

4.根据权利要求1所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述材料包括陶瓷。

5.根据权利要求4所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述陶瓷是氧化铝陶瓷。

6.根据权利要求4所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述陶瓷是共烧陶瓷。

7.根据权利要求6所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述基座(10)通过高温共烧陶瓷层和集成的电连接件(34)形成。

8.根据权利要求6所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述基座(10)通过低温共烧陶瓷层和集成的电连接件(34)形成。

9.根据权利要求1所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，包括与所述基座(10)集成的电连接件(34，35)以及和所述电连接件(34，35)电连接的电子电路(36)。

10.根据权利要求9所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述支撑元件(10，16)包括位于所述基座(10)和所述电极支承架(8)之间的传导支撑杆(16)，所述支撑杆(16)在一侧焊接到所述电连接件(34，35)的电触头(42，46)，并在另一侧连接到所述电极支承架(8)的所述激发/探测电极(20)。

11.根据权利要求9所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，包括用于保护焊接到所述基座(10)上的电子电路(36)的外壳(58)。

12.根据权利要求11所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述基座(10)包括与之集成的销阵列(54)和附加销阵列(56)，所述销阵列(54)位于所述外壳(58)的内侧，所述附加销阵列(56)位于所述外壳(58)的外侧，其中所述基座(10)的至少一些电连接件(34，35)能够使得所述销阵列(54)和所述附加销阵列(56)互连。

13.根据权利要求9和12的组合所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述传感器(2)被设计成固定到惯性芯部(11)，所述传感器(2)包括：

护环，其布置在所述电极支承架(8)上；以及

电连接部件(20，29，34，35，48)，其用于将所述护环连接到所述电子电路(36)和/或所述外壳(58)，所述电连接部件(20，29，34，35，48)被连接到所述惯性芯部(11)的电接地。

14.根据权利要求1所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述传感器(2)被设计成固定到惯性芯部(11)，所述传感器(2)包括固定到所述基座(10)的罩(12)，所述罩(12)被连接到所述惯性芯部(11)的电接地。

15.根据权利要求1所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，包括沿轴向方向的至少一个弹性电耦合器(28，29)，所述电耦合器布置在所述电极支承架(8)和所述基座(10)之间。

16.根据权利要求1所述的陀螺仪传感器(2)，其特征在于，所述传感器(2)被设计成通过四个固定元件(33)固定到惯性芯部(11)。

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