CN1746622A - 用于支撑振动器的结构以及用于测量物理量的装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种支撑结构，该结构具有基板12以及固定在基板12并与振动器1相连的接合线14A、14B。该基板12包括一对彼此相对的固定部分12a以及一对彼此相对的非固定部分12b。该固定部分12a和非固定部分12b一起限定了该基板12中的通孔13A。振动器1用接合线支撑，使得振动器1不直接接触基板12。接合线14A、14B装在固定部分12a上而不装在任一非固定部分12b上。
Description
相关申请
本申请声明对申请号为P2005-207260于2005年7月15日提交的以及申请号为P2004-263320于2004年9月10日提交的日本专利申请的权利。这些申请在此全部引入作为参考。
技术领域
本发明提供用于支撑振动器的结构以及用于测量物理量的装置，诸如振动回转仪。
背景技术
在运载工具车辆控制系统中，振动回转仪及其振动器可经历较宽的包括高温和低温的温度范围。这样的温度范围通常包括-40℃到+85℃之间，并且在更严峻的规约下还可能更宽。特别地，当振动器由压电单晶体制成时，单晶体的温度依赖性还会影响到回转仪的稳定性。
日本专利申请2003-28648A揭示了用于支撑在振动回转仪中使用的振动器的构件。根据该揭示，该支撑构件由一根以复杂形式弯曲的细长杆组成，使得振动器用该杆来支撑。还描述了该支撑构件与位于振动器上的电极的电连接。
此外，受让人已经提交日本专利公布2003-294450A并且揭示了振动器用外壳中基板上的接合线来支撑。该接合线与振动器表面上的电极相连。
发明内容
然而，根据该支撑方法，可在例如高温区域观察到相当大的温度偏移。例如，如图3所示，零点回转仪信号可在室温范围内迅速上升从而导致峰值偏移。如果显示了不正常振动的振动器用于振动回转仪中，则检测信号中的零点温度偏移将会增加，使得在最坏情形中回转仪不可作为传感器使用。
本发明的一个目的是提供一种测量物理量的装置的支撑结构，该装置使用振动器来减少检测信号中的零点温度偏移。
本发明提供了一种用于支撑振动器的结构，所述结构包括基板，该基板包括一对彼此相对的固定部分以及一对彼此相对的非固定部分。该固定和非固定部分一起限定了该基板中的通孔，且接合线固定在基板上并与振动器相连。振动器用接合线来支撑使得振动器不直接与基板接触，并且接合线装在固定部分而不装在非固定部分。
本发明还提供了包括上述支撑结构的用于测量物理量的装置。
本发明人已经研究了峰值温度偏移的原因，如图3所示，并获得以下发现。即，本发明人已基本上成功地防止了振动器的伪模式振动，以及接合线的振动对最终检测信号的不利影响。本发明人已经研究了即使在防止伪振动及不利影响之后仍然观察到的如图3所示的零点温度偏移的原因。结果，发现用于支撑振动器的支撑底板的振动模式可导致检测信号的温度偏移。这种支撑底板的影响一直被本领域技术人员所忽略。
本发明人还基于以上发现研究了对接合线和底板的设计。根据本发明，在支撑地板中设置了用于插入接合线的通孔。一对固定部分和一对非固定部分被提供来一起限定通孔。用于支撑振动器的支撑底板的固定部分被固定到底层底板，诸如外壳底板上，而非固定部分则在两个固定部分之间。
固定部分指固定到底层底板的支撑底板的一部分。
非固定部分指不固定在底层底板上的支撑底板的一部分。
本发明人已经产生这样的思路：将接合线连接或装入固定部分使接合线不从非固定部分伸出。因而，减少支撑底板的振动对检测信号的不利影响从而防止零点温度偏移是有可能的，该支撑底板的振动具有接近驱动振动的谐振频率“fd”的特征频率。本发明即基于以上发现。
本发明的这些和其它目的、特征以及优点在参阅本发明的以下描述以及附图之后可以得到理解，并理解本领域技术人员可对本发明作出一些修改、变更和改变。
附图说明
图1是示出可用于本发明的振动器1的驱动振动模式的设计图。
图2是示出振动器1的检测振动模式的设计图。
图3是示出一比较示例中零点回转元件与温度的关系的曲线图。
图4是根据本发明示出一示例中零点回转元件与温度的关系的曲线图。
图5(a)是图示可用于本发明的支撑结构的设计图。
图5(b)是示出图5(a)的支撑结构的前视图。
图6是根据本发明另一实施例图示的支撑结构的设计图。
图7是根据本发明又一实施例图示的支撑结构的设计图。
图8是根据本发明另一实施例图示的支撑结构的设计图。
图9是根据本发明又一实施例图示的支撑结构的设计图。
图10是图示图9的支撑结构的截面视图。
图11是示出可用于本发明的又一支撑结构的设计图。
图12是示出可用于本发明的又一支撑结构的设计图。
图13是示出可用于本发明的又一支撑结构的设计图。
图14是示出可用于本发明的又一支撑结构的设计图。
图15是示出可用于本发明的又一支撑结构的设计图。
图16是示出可用于本发明的又一支撑结构的设计图。
图17是示出可用于本发明的接合线和基板的形状的设计图。
图18是示出如图17所示的基板上所支撑的振动器的设计图。
图19是根据本发明示例示出解调的温度变化的曲线图。
图20是根据本发明示例示出解调的温度变化的曲线图。
具体实施方式
根据一较佳实施例，振动器具有带有驱动装置的驱动振动臂、带有检测装置的检测振动臂、以及设在驱动和检测振动臂之间的基部。振动器最好还具有连接基部和驱动振动臂的细长连接部分。尽管本发明将参照本实施例进行描述，但是本发明并不限于该类振动器。
图1是根据本发明一实施例示出振动器1(驱动振动模式)的设计图。图2是示出振动器1的检测振动模式的设计图。
根据本示例，振动器1具有基部2、从基部2上伸出的一对检测振动臂3A和3B、从基部2上伸出的一对连接部分10、以及在连接部分10的末端分别提供的驱动振动臂4A、4B、4C和4D。每个驱动振动臂4A-4D都具有大致“H”型的横截面形状。驱动电极9置于凹槽内。较宽或者较重部分5A、5B、5C和5D分别设在驱动振动臂4A-4D的末端。通孔7分别置于较宽部分中。
检测振动臂3A和3B的每个主面上都有一细长凹槽。每个检测振动臂都有大致“H”型的横截面形状。检测电极30置于凹槽内。较宽或者较重部分3A和3B分别设在驱动振动臂6A-6B的末端。通孔8分别形成在各较宽部分中。
图1示出驱动振动模式。当驱动振动在振动器中激发时，每个驱动振动臂4A-4D以连接部分10作为其支点绕臂的基部11振动，如箭头“A”。振动器1绕在振动器1垂直方向延伸的旋转轴(Z-轴)旋转。然后连接部分10在弯曲振动模式下以固定部分(基部)2作为其支点绕连接部分10的基部振动，如箭头“B”。响应该振动，每个检测振动臂3A和3B在弯曲振动模式下围绕臂3的基部对固定部分(基部)2振动，如箭头“C”。每个检测振动臂3A和3B产生对应于检测振动的电信号。该电信号用来计算绕旋转轴(Z-轴)旋转的角速度。
图5(a)是图示用于本发明的支撑结构的设计图。图5(b)示出图5(a)的支撑结构的前视图。
中央通孔13A形成于基板12中。根据本示例，通孔13A具有诸如矩形的细长形状。基板12具有一对彼此相对的固定部分12a，以及一对彼此相对的非固定部分12b。固定部分12a和非固定部分12b一起限定通孔13A。根据本示例，固定部分12a具有较大宽度，而非固定部分具有较小宽度。固定部分12a被固定到诸如外壳底板的底层底板上。
振动器1直接在底板12的通孔13A上得到支撑。根据本示例，振动器用四个接合线14A和两个接合线14B来支撑。每个接合线与固定部分12a相连并装在其中，并从底板12的固定部分12a一侧的对边13a朝基部2伸出。
每个接合线14A从每个对边13a的每个末端伸出，并且基本上以“L”型的平面形状弯曲。即，接合线14A在基本上与面向通孔13的对边13b平行的方向上具有较宽部分14a、较窄部分14b、以及在基本上与对边13a平行的方向上的弯取部分14c。弯曲部分14c的末端与位于基部2内的电极相连。
此外，均从每个对边13a的中点伸出的两个接合线14B具有较宽部分14a和较窄部分14b。较窄部分14b的末端与固定部分2相连。根据本示例，每个接合线14A和14B具有较宽部分14a和较窄部分14b，从而可以控制整个接合线的振动特征频率。接合线的宽度可通过例如改变用于通过蚀刻来形成接合线轮廓的掩膜模型的掩膜宽度来简便控制。
根据本发明，底板的非固定部分12b与从固定部分12a(参见图5(a))伸出的接合线根部(伸出位置)30的距离“T”可以是0.1毫米或以上，最好是0.2毫米或以上，用于减少零点温度偏移。
此外，根据本发明，与固定部分连接的接合线的根部最好设在底板12的通过固定部分12a的中心轴“X”附近，用于减少零点温度偏移。中心轴“X”与连接到固定部分12a的接合线14A的根部(伸出位置)的距离“M”可以是0.5毫米或以下，最好是0.3毫米或以下。
根据图6所示示例，通孔13B的宽度比图5所示的通孔13A要窄，从而每个接合线要做得短一些。这种接合线长度的改变导致接合线的振动特征频率的改变。
根据本示例，两个接合线15从基板12的较宽部分12a一侧的每个对边13a伸到基部2。每个接合线15具有在基本上与对边13b平行的方向上延伸的部分15a，以及朝基部2弯曲的弯曲部分15b。弯曲部分15b的末端与固定部分2上的电极相连。部分15a和15b以如图5所示的直角或者如图6所示的锐角的角度“θ”相互交叉。角度“θ”可被改变以改变整个接合线的特征频率。
根据图9中所示示例，已在图5示出的部分用相同标号表示并可略去相关解释。振动器的支撑基板12固定在底层基板的预定位置上，例如六个位置16。每个位置16以及每个接合线和基板12的每个接触点30相互接近，从而可减少接合线的振动在检测电压上的影响。
在该观点看来，基板12在底层基板上的固定位置16与接合线和基板12的接触点之间的距离“L”可以是0.6毫米或更小，最好是0.4毫米或更小。
图8是根据本发明的又一实施例图示支撑结构的设计图。
根据本示例，接合线16形成为弯曲部分16a和16b，16b的根部远离较窄的非固定部分12b并靠近X-轴，该X-轴是基板12的中心轴。当基板12振动时，非固定部分12b的振幅就特别大。因而接合线16从基板12伸出的部分30远离较窄部分12b并靠近X-轴，从而可有效避免基板12的振动对振动器1的振动模式的检测值的影响。
根据图9的示例，基板12的固定部分12a的两端都固定在固定部分16上。固定的方法没有特别限制，并可采用导电粘合剂粘结、焊接等。如图10所示，振动器1、基板12和接合线14A(14B)最好都包含在外壳19中，并且有平台17和IC芯片18安装其上。基板12通过导电粘合剂16安装在平台17上，导电粘合剂加热之后将基板粘合固定在平台17上。
尽管导电粘合剂的种类没有受到特别限定，但可以列出碳涂胶以及贵金属涂胶，诸如铜、银、金涂胶等。
根据图11所示的示例，每个接合线22A和22B基本上具有与图5所示接合线相同的形状。然而根据本示例，基板12的中央通孔13B的宽度比图5所示的要窄，并且基本上具有正方形的平面形状。
根据图12所示的示例，例如六个接合线23从固定部分12a一侧的对边13a笔直伸到通孔13A。每个接合线23都具有与基部2相连的较宽部分23a和较窄部分23b。
图13所示的支撑结构基本上与图11所示的支撑结构相同。根据本示例，中央通孔13C的形状基本上是矩形，除了矩形的四个角上分别具有曲线轮廓13c。可以改变如上所述的通孔形状以改变接合线的长度，从而改变其特征频率。
根据图14所示示例，三个接合线26从面向通孔13A的固定部分12a的一对对边13a的每一个中伸出。接合线是笔直的，并在整个长度上基本保持恒定。接合线的端部与振动器1的基部2的预定位置相连。
根据图15所示示例，在基板12中设有中央通孔13A。中央通孔13A的形状是细长的例如基本上是矩形。提供了一对彼此相对的固定部分12a以及一对彼此相对的非固定部分12b，从而该固定部分12a和非固定部分12b一起限定通孔13A。
根据本示例，振动器用4个接合线25A和2个接合线25B来支撑。每个接合线与基板12的固定部分12a相连并固定其上，并从固定部分12a一侧的对边13a向基部2伸出。
每个接合线25A从每个对边13a的末端伸出，并且基本上根据设计图上的“L”型来弯曲。即，接合线25A在基本上与面向通孔13的对边13b平行的方向上具有较宽部分25a、较窄部分25b、以及在基本上与对边13a平行的方向上的弯取部分25c。弯曲部分25c的末端与位于基部2内的电极相连。
此外，均从每个对边13a的中点伸出的两个接合线25B具有较宽部分25a和较窄部分25b。较窄部分25b的末端与基部2相连。根据本示例，每个接合线25A和25B具有较宽部分25a和较窄部分25b。然而根据本示例，较宽部分25a比图5所示的短。
根据一较佳实施例，接合线具有从固定部分向通孔伸出的延伸部分，以及多个在延伸部分与接合线和振动器相连位置之间的弯曲部分。两个弯曲部分的纵向互不相同。
根据图16所示示例，使用了曲柄状的线24，而不是图5所示的“L”状线14A。线24具有较宽部分24a、较窄部分24b、从较窄部分24b内伸出的弯曲部分24c、以及一附加弯曲部分24d。可以通过增加其中弯曲部分的数量来改变线的振动特征频率。
根据图17所示的示例，中央通孔13C的形状基本上是矩形，除了矩形的四个角上分别是曲线轮廓13C。此外，短边13a和13d用来略微减少接合线24的长度，从而接合线30可做得略长一些。具有曲柄状的四个接合线24的每一个均从较短部分伸出，并具有较宽部分24a、较窄部分24b、从较窄部分24b内伸出的弯曲部分24c以及附加的弯曲部分24d。每个平直的接合线30从短边13d伸出，并具有较宽部分30a和较窄部分30b。
图18是示出其基部用图17所示的六个接合线支撑的振动器的设计图。
每个接合线的末端可与振动器较低表面上的端部相连，或者可与振动器较高表面上的端部相连。
振动器的尺寸并没有受到特别限制。然而，如果振动器的重量或者尺寸过大，过多的重量加在接合线上可能会使接合线在长时间之后变形。振动器的宽度可不超过10毫米，最好不超过5毫米，以防止振动时接合线变形的不利影响。从这一点看来，振动器的重量可不超过5毫克，最好不超过1毫克。此外，振动器的厚度可不超过0.3毫米，最好不超过0.2毫米。
基板12的材料并没有受到特别限制，并且可以是用于包装的绝缘材料，如陶瓷、玻璃或者树脂。
接合线与振动器通过未受到特别限制的工艺相连，包括热压连接、超声波连接、点焊、导电粘合剂或者锡焊。
有必要支撑振动器，从而振动器不直接接触基板以避免振动的不利影响。根据一较佳实施例，振动器和基板的距离不小于0.1毫米，最好不小于0.2毫米。
接合线的材料并没有受到特别限制，可以是金属、树脂、粘合剂、或者金属和树脂的合成材料，并且最好是金属。最好是铜、金、铝、银、钨、不锈钢、铁、镍、锡、黄铜或者它们的合金。
这些金属或者合金可通过电镀等方法作表面处理。例如，最好是镀金的铜箔。
振动器的材料并没有受到特别的限制，最好是压电单晶体。材料最好是从由石英、铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶液、硼酸锂以及镧镓硅酸盐(langasite)组成的组中选择的压电单晶体。
根据本发明测量的物理量并没有受到特别的限制。当振动器中的驱动振动激发并且由于施加在振动器上的特定物理量的影响而使振动器的振动状态改变时，只要物理值可通过一检测电路检测该物理量就可包括在本发明中。这些物理量最好是施加在振动器上的加速度、角加速度、或角速度。本发明的测量系统最好是惯性检查器。
示例
(比较示例1)
使用图1和2所示的振动器1A。具体地，厚度为100埃的铬膜和厚度为1500埃的金膜通过溅射在厚度为0.1毫米的石英Z-板制成的晶片的预定区域上形成。晶片的两个主要表面都覆盖了保护膜。
然后将晶片浸入碘和碘酸钾的水溶液中以去除通过蚀刻的金膜中多余的金，再浸入硝酸铵铈和高氯酸溶液中以去除通过蚀刻的铬膜中多余的铬。通过将晶片浸入80℃的氟氢化铵20个小时来蚀刻晶片以形成振动器1的外形。厚度为2000埃的金膜使用金属掩膜形成为电极的膜，该膜在厚度为100埃的铬膜之上。振动器1的长度为2.0毫米，宽度为2.2毫米，厚度为0.1毫米，重量约为0.3毫克。
振动器1安装在图10所示的外壳上。基板12由聚酰亚胺膜和具有中央通孔的铜箔的连接体形成的。铜箔被蚀刻以形成基板12的接合线、配线以及接触垫。框架由铝氧陶瓷组成。铜箔表面镀金。接合线用热压连接的方法通过金凸缘25与振动器1的基部2相连。
根据本示例，每个接合线具有平直形状和0.03毫米的宽度。振动器通过六个接合线支撑。六个接合线中的两个固定在固定部分12a上，而另四个固定在非固定部分12b上。
这样获得的振动回转仪置入温度测试室中，并且温度在-40℃到+85℃的范围内改变。使用自振动电路来激发驱动振动，从而将驱动振动模式的谐振频率“fd”设置为45000赫兹。
对这样获得的检测信号进行处理以提取零点回转仪信号。可以证明，在室温范围内检测到了峰值零点温度偏移，如图3所示。该零点温度偏移被证明是56dps。
零点温度偏移计算如下。零点回转仪的信号分量的数据作为温度函数画出，以提供曲线。除峰值外的曲线可由-40到+85℃的范围内的直线来近似。计算相对直线的峰值高度并将其分配至零点温度偏移。
(示例1)
根据与比较示例1相同的过程，振动器1支撑在基板上，除了所应用的是图16所示的支撑结构。零点回转仪信号分量对温度的依赖性如图4所示。零点温度漂移证明为2.5dps。即，零点回转仪信号分量在-40到+85℃之间基本上根据线性函数减少，并且没有观察到明显的零点温度偏移。
(示例2)
根据与比较示例1相同的过程，振动器1支撑在基板上，除了所应用的是图12所示的支撑结构。解调频率对温度的依赖性如图19所示。即，解调基本上根据线性函数在-40到85℃范围内减少。零点温度偏移被证明是7dps。
(示例3)
根据与比较示例1相同的过程，振动器1支撑在基板上，除了所应用的是图5所示的支撑结构。结果，解调对温度的依赖性如图20所示。即，解调基本上根据线性函数在-40到85℃范围内减少。零点温度偏移被证明是5dps。
(示例4)
根据与比较示例1相同的过程，振动器1支撑在基板上，除了所应用的是图6所示的支撑结构。零点温度偏移被证明是6dps。
(示例5)
根据与比较示例1相同的过程，振动器1支撑在基板上，除了所应用的是图8所示的支撑结构。零点温度偏移被证明是6dps。
本发明已经参照较佳实施例进行了解释，但是本发明并不仅仅限于所示实施例，这些实施例仅作为示例给出，并可用不同的模式实现而不背离本发明的范围。
Claims (8)
1.一种用于支撑振动器的结构，其特征在于，所述结构包括：
基板，所述基板包括一对彼此相对的固定部分以及一对彼此相对的非固定部分，所述固定部分和非固定部分一起限定了该基板中的通孔；以及
固定在所述基板并且与所述振动器相连的接合线，
其中所述振动器用所述接合线支撑，使得所述振动器不直接接触所述基板，且其中所述接合线装在固定部分上而不装在任一所述非固定部分上。
2.如权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，所述振动器包括在所述通孔上支撑的基部以及从所述基部伸出的振动臂，其中所述基部用所述接合线支撑。
3.如权利要求1或者2所述的支撑结构，其特征在于，所述接合线包括从所述固定部分向所述通孔伸出的延伸部分，以及从所述延伸部分朝所述接合线与所述振动器相连的位置弯曲的弯曲部分。
4.如权利要求1或者2所述的支撑结构，其特征在于，所述接合线包括从所述固定部分向所述通孔伸出的延伸部分，以及多个在所述延伸部分和所述接合线与所述振动器相连的位置之间的弯曲部分，所述各弯曲部分包括其互不相同的纵向。
5.如权利要求1到4的任一个所述的支撑结构，其特征在于，所述非固定部分与所述接合线从所述固定部分伸出的位置彼此相距0.1毫米或以上。
6.如权利要求1到5的任一个所述的支撑结构，其特征在于，所述固定部分与底层底板在多个位置上用导电性粘合剂相连。
7.用于测量物理量的装置包括如权利要求1-6的任一个所述的结构。
8.如权利要求7所述的用于测量物理量的装置包括一振动回转仪。
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