CN1746623A - 支撑振动器的结构以及测量物理量的装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于支撑振动器1的结构。该结构包括基板12以及固定在基板12并与振动器1相连的连接线14A、14B。振动器1用连接线支撑，使得振动器1不直接接触基板12。“fd”和“fw”满足以下公式(1)。“fd”表示振动器的驱动振动模式的谐振频率，而“fw”表示在室温下连接线的振动模式的特征频率。

(fd/2)×1.05≤fw，或者，(fd/2)×0.95 ……(1)

Description

支撑振动器的结构以及测量物理量的装置

相关申请

本申请声明对申请号为P2005-207047于2005年7月15日提交的以及申请号为P2004-263310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

本发明提供支撑振动器的结构以及测量物理量的装置，诸如振动回转仪。

背景技术

在车辆控制系统中，振动回转仪及其振动器可用于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零下40℃到85℃之间，并且在更严峻的规约下还会更宽。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拉长杆组成，使得振动器以该杆来支撑。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包中基板上的连接线来支撑。该连接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实质的温度偏移。例如，如图3所示，即使当零点温度信号在低温至室温范围内是一个恒量时，回转仪信号可在60到80℃的范围内迅速上升从而导致温度偏移。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；以及

固定在基板上并与振动器连接的连接线，

其中振动器用连接线来支撑使得振动器不直接与基板接触，并且其中“fd”和任何“fw”都满足下述公式(1)，假设“fd”表示所述振动器的驱动振动模式的谐振频率，而“fw”表示连接线在室温下的振动模式的特征频率。

(fd/2)×1.05≤fw，或者，(fd/2)×0.95……(1)

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。

发明者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，发现用于包装的基板上的连接线的特征振动频率“fw”可能与驱动振动模式振动的谐振频率的一半“(fd/2)”非常接近。驱动振动模式可导致连接线的谐振，从而影响振动器的振动模式。谐振可能导致振动回转仪的零点温度偏移。还发现通过适当地改变连接线的形式从而使“fw”远离“fd/2”特定比例来减少零点温度偏移。

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的检测模式的设计图。

图3是示出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是如图5所示的支撑结构中连接线的振动模式的一个示例的设计图。

图8是如图5所示的支撑结构中连接线的振动模式的一个示例的设计图。

图9是示出可用于本发明的另一支撑结构的设计图。

图10是示出可用于本发明的又一支撑结构的设计图。

图11是示出可用于本发明的再一支撑结构的设计图。

图12是图示图11的支撑结构的截面视图。

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又一支撑结构的设计图。

图18是示出可用于本发明的连接线和基板的形状的设计图。

图19是示出如图18所示的基板上所支撑的振动器的设计图。

图20是根据本发明示例示出去调的温度变化的曲线图。

图21是根据本发明示例示出去调的温度变化的曲线图。

图22是示出示例2中的零点温度偏移的图表。

图23是示出示例3中的零点温度偏移的图表。

具体实施方式

室温下的连接线的特征频率“fw”指的是25℃下连接线的某振动模式的特征频率。“fw”可以通过阻抗分析器(用于测量激光多普勒效应的系统)或X光断层Lang照相机等来测量。通常对单个连接线呈现有多种振动模式，从而分别对相应振动模式呈现多个特征频率“fw”。根据本发明，需要使连接线的所有的单或者多振动模式满足方程式(1)。

驱动振动模式的谐振频率“fd”指的是在振动器中通过自振动电路激发的驱动振动模式的特征频率。“fd”可以通过阻抗分析器来测量。

“fd/2”和“fw”必须满足下列公式之一：(fd/2)×1.05≤fw以及fw≤fd/2×0.95。当“fd/2”和“fw”均不满足以上公式时，检测信号的零点温度偏移就变得相当大了。即，已证明基于“fw”的偏移数据和实际给出的振动器的温度特征值，“fd/2”和“fw”必须如上所述互不相同。

在公式(1)中，“fw”可以是(fd/2)x1.05或更高，最好是(fd/2)x1.10或更高。或者，“fw”可以是(fd/2)x0.95或更低，最好是(fd/2)x0.90或更低。

根据一较佳实施例，“fd”和“fw”还满足下列公式。

公式(2)(2fd)x1.03≤fw，或者，fw≤(2fd)x0.97……(2)

即，需要“2fd”和“fw”满足(2fd)x1.03≤fw，或者，fw≤(2fd)x0.97之一。当“2fd”和“fw”均不满足以上公式时，检测信号的零点温度偏移就变得相当大了。即，已证明基于“fw”的偏移数据和实际给出的振动器的温度特征值，“fd/2”和“fw”必须如上所述互不相同。

根据本实施例，需要使连接线所有的单或者多振动模式满足公式(2)。

此外，公式(1)中“fd/2”和“fw”之间需要有(fd/2)的0.05倍的差异，用于减少检测信号的零点温度偏移。还证明方程式(2)中“fd/2”和“fw”之间只需有(2fd)的0.03倍的差异，用于减少探测信号的零点温度偏移。这种不同频率范围内减少温度偏移所需的差异比例的不同，也超出了本领域技术人员的期望。

根据公式(2)，“fw”可以是(2fd)x1.03或更高，最好是(2fd)x1.05或更高。或者，“fw”可以是(2fd)x0.97或更低，最好是(2fd)x0.95或更低。

根据一较佳实施例，“fd”和“fw”还必须满足下列公式(3)。

公式(3)(3fd)x1.05≤fw，或者，fw≤(3fd)x0.95……(3)

即，需要“3fd”和“fw”满足(3fd)x1.05≤fw，或者，fw≤(3fd)x0.95之一。当“3fd”和“fw”均不满足以上公式时，检测信号的零点温度偏移就变得相当大了。即，已证明基于“fw”的偏移数据和实际给出的振动器的温度特征值，“3fd”和“fw”必须如上所述互不相同。

根据本实施例，需要连接线所有的单或者多振动模式都满足公式(3)。

根据公式(3)，“fw”可以是(3fd)x1.05或更高，最好是(2fd)x1.10或更高。或者，“fw”可以是(2fd)x0.95或更低，最好是(2fd)x0.90或更低。

尽管公式(3)的要求与公式(1)和(2)的要求相比影响较小，但是为了进一步地减少检测信号的温度偏移，除满足公式(1)和(2)的要求之外还需要满足公式(3)的要求。

通过改变振动器的材料和尺寸可以调整“fd”。然而振动器的设计是取决于各种条件而决定的，从而不可能对振动器的材料和尺寸有重大改变。在这种情况下，通过每个或全部公式(1)、(2)和(3)来控制“fw”。

尽管“fw”可通过任何方法来控制，仍列出以下方法。

在每一个连接线中改变连接线的直径、厚度或者宽度。

连接线是弯曲的。

改变连接线的材料。

改变连接线的长度。

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、以及在驱动和检测振动臂之间提供的基部。振动器最好还具有连接基部和驱动振动臂的延长连接部分。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实质上都具有“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分别在驱动振动臂4A-4D的末端提供。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拉长凹槽。每个检测振动臂实质上都有“H”型的横截面形状。检测电极10置于凹槽内。较宽或者较重部分3A和3B分别在驱动振动臂6A-6B的末端提供。通孔8分别置于较宽部分中。

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的基部振动到固定部分(基部)2，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置于基板12中。根据本示例，通孔13A具有诸如矩形的拉长形状。基板12具有在通孔13A两侧提供的较宽部分12a和较窄部分12b。根据本示例，较宽部分12a固定在外壳上。振动器1直接支撑在基板12的通孔13上。根据本示例，振动器用四个连接线14A和两个连接线14B来支撑。每个连接线从基板12的固定部分12a一侧的对边13a伸到基分2。

每个连接线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，连接线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的末端与位于础部2内的电极相连。

此外，均从每个对边13a的中点伸出的两个连接线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，每个连接线14A和14B具有较宽部分14a和较窄部分14b，从而可以控制整个连接线的振动特征频率。连接线的宽度可通过例如改变用于通过蚀刻来制模连接线的罩膜模型的罩膜宽度来简便控制。

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，从而每个连接线要做得短一些。这种连接线长度的改变导致连接线的振动特征频率的改变。

根据本示例，两个连接线15从基板12的较宽部分12a一侧的每个对边13a伸到基部2。每个连接线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连接线的特征频率。

图7和8示出振动模式的示例，其中连接线的特征频率“fw”接近“fd/2”。图7和8示出的振动模式是相对复杂的。该复杂振动模式的特征频率“fw”可在初始设计时进行模拟，从而特征频率“fw”可与“fd/2”相差10％以上。因而就可能可观地减少零点温度偏移。这类发现在振动回转仪的实际设计中相当有用。

此外，每个连接线都可固定在基板上，该固定位置接近基板在诸如外壳的底层基板的固定点，从而可进一步减少上述零点温度偏移。

图9是根据本发明实施例图示一支撑结构的设计图。在图9中，已在图5示出的部分用相同标号表示并可略去相关解释。根据图9示例，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以及每个连接线和基层12的每个接触点30相互接近，从而可减少连接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与连接线和基板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10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，连接线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。因而连接线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的振动对连接线16和振动器1的影响。

根据图11的示例，基板12的较宽部分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12所示，振动器1、基板12和连接线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。

只要满足本发明的要求，连接线在基板上的固定位置以及连接线的形状没有受到特别限定。例如，根据图13所示示例，四个连接线21分别从对边13b伸出，且两个连接线21分别从对边13a伸出。每个连接线21具有平直部分21a、21c以及连接它们的弯曲部分21b。

根据图14所示的示例，每个连接线22A和22B基本上具有与图5所示连接线相同的形状。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15所示的示例，例如六个连接线23从较宽部分12a一侧的对边13a平直伸到通孔13A。每个连接线23具有较宽部分23a和较窄部分23b。

图16所示的支撑结构基本上与图14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连接线的长度，从而改变其特征频率。

根据图17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18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用来略微减少连接线24的长度，从而连接线30可做得略长一些。具有曲柄状的每个连接线24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。每个平直的连接线30从短边13d伸出，并具有较宽部分30a和较窄部分30b。

图19是示出其基部用图18所示的六个连接线支撑的振动器的设计图。

每个连接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，过多的重量加在连接线上可能会使连接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5mm，以防止阻止振动器上的连接线变形的不利影响。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。

连接线与振动器通过未受到特别限制的处理相连，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0.05毫米，最好不小于0.1毫米。

连接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埃的金膜使用金属罩膜形成了电极的膜，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。

振动器安装在图12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的连接线、配线以及接触垫。框架由铝氧陶瓷组成。铜箔表面镀金。连接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，每个连接线具有图15所示的形状和0.03毫米的宽度。振动器通过六个连接线支撑。

这样获得的振动回转仪置入温度测试室中，并且温度在零下40℃到85℃的范围内改变。使用自振动电路来激发驱动振动，从而改变驱动振动模式的谐振频率“fd”，如表1所示。此外，支撑振动器的连接线的特征频率“fw”如表格1所示。

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60到85℃范围内检测到了零点温度峰值偏移，如图3所示。

零点温度偏移计算如下。零点回转仪的数据分作为温度函数画出，以提供曲线。除峰值外的曲线可由零下40-85℃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。

                             表1

	fd(Hz)	(fw)相对(fd/2)的大小	(fw)相对(2fd)的大小	(fw)相对(3fd)的大小	零点温度偏移	附图
							比较示例1	45000	1.03	0.85	0.88	370	注释1
示例1	51000	0.71	0.79	0.82	2.5	图17
							示例2	44800	0.9	0.99	0.93	20	图15
示例3	45500	1.16	0.84	1.03	5	图5
							示例4	50900	0.88	1.24	1.11	4	图6
示例5	51100	0.89	1.25	1.19	4	图10

(注释1)：

图15，连接线的宽度统一为0.03mm。

(示例1)

根据与比较示例1相同的过程，振动器1在基板上支撑，除了所应用的是图17所示的支撑结构。“fd”和“fw”的数值如表1所示。结果，零点回转仪信号成分对温度的依赖性如图4所示。即，零点回转仪信号成分在零下40到正85℃之间基本上根据线性函数减少，并且没有观察到特定的零点温度偏移。

(示例2)

根据与比较示例1相同的过程，振动器1在基板上支撑，除了所应用的是图15所示的支撑结构。“fd”和“fw”的数值如表1所示。结果，如图22所示，在零下40到0℃范围内检测到了零点温度偏移的峰值。温度偏移被视为是由于“2fd”的谐振造成的。此外，根据示例2，与比较示例相比偏移量显著减少，并且去调频率基本上根据线性函数相对零下40到85℃范围内的温度改变，如图20所示。

(示例3)

根据与比较示例1相同的过程，振动器1在基板上支撑，除了所应用的是图5所示的支撑结构。结果，如图23所示，在0℃到30℃的范围内检测到了零点温度偏移的峰值。温度偏移被视为是由于“3fd”的谐振造成的。此外，根据示例3，与比较示例相比偏移量显著减少，并且去调频率根据线性函数相对零下40到85℃范围内的温度逐渐地改变，如图21所示。

(示例4)

根据与比较示例1相同的过程，振动器1在基板上支撑，除了所应用的是图6所示的支撑结构。零点回转仪信号根据线性函数逐渐地改变，并且与比较示例相比零点温度的偏移量显著减少。

(示例5)

根据与比较示例1相同的过程，振动器1在基板上支撑，除了所应用的是图10所示的支撑结构。零点回转仪信号根据线性函数逐渐地改变，并且与比较示例相比零点温度的偏移量显著减少。

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 (5)

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；以及

固定在所述基板并且与所述振动器相连的连接线，

其中所述振动器用所述连接线支撑，使得所述振动器不直接接触所述基板，且其中“fd”和“fw”满足下列公式(1)，假设“fd”表示所述振动器的驱动振动模式的谐振频率，而“fw”表示在室温下所述连接线的振动模式的特征频率。

(fd/2)x1.05≤fw，或者，(fd/2)x0.95       ……(1)

2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，“fd”和“fw”满足以下公式(2)。

(2fd)x1.03≤fw，或者，fw≤(2fd)x0.97     ……(2)

3.如权利要求1或者2所述的结构，其特征在于，

“fd”和“fw”满足以下公式(3)。

(3fd)x1.05≤fw，或者，fw≤(3fd)x0.95     ……(3)

4.用于测量物理量的装置包括如权利要求1-3的任一权利要求所述的结构。

5.如权利要求4所述的装置包括一振动回转仪。

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