TW201631297A

TW201631297A - 偵測角速度的微機械感測器

Info

Publication number: TW201631297A
Application number: TW105103460A
Authority: TW
Inventors: 湯米皮賴寧
Original assignee: 村田製作所股份有限公司
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2016-09-01
Also published as: EP3256814B1; FI20155095A; US10139228B2; WO2016128872A1; US20160231115A1; EP3584535B1; EP3584535A1; EP3256814A1; JP6471805B2; JP2018512568A; TWI583923B

Abstract

一種微機械裝置包括用於雙重差動偵測圍繞垂直於該微機械裝置之一平面之一軸線的角速度之四個開放式驅動框架及四個偵測質量塊。一耦接框架系統將該等四個開放式驅動框架耦接至一同步反相驅動運動中。該等四對相鄰開放式驅動框架中之每一者之相位相反，且該等四個開放式驅動框架之線性主要運動之振幅相等。該等開放式驅動框架中之線性驅動運動之軸線為經對準的。該等開放式驅動框架之反相同步驅動運動經由一彈簧配置傳達至該等四個偵測質量塊之一反相同步驅動運動。一內部耦接槓桿系統將該等四個偵測質量塊耦接於一同步反相偵測運動中。該等四對相鄰偵測質量塊中之每一者之相位相反。該等偵測質量塊中之每一者之線性偵測運動之軸線為經對準的。

Description

偵測角速度的微機械感測器

本發明係關於一種用於偵測角速度的微機械裝置，且具體言之，係關於包括用於偵測圍繞垂直於微機械裝置之平面的單個旋轉軸之角速度之四個偵測質量塊的微機械裝置，如獨立申請專利範圍第1項之前言部分中所定義。本發明進一步關於一種操作用於偵測角速度之微機械裝置的方法，且更特定言之，係關於操作包括用於偵測圍繞垂直於微機械裝置之平面的單個旋轉軸之角速度之四個偵測質量塊之微機械裝置的方法，如獨立申請專利範圍第10項之前言部分中所定義。

可將微機電系統或MEMS定義為小型化機械及機電系統，其中至少一些元件具有機械功能性。由於MEMS裝置藉由用於產生積體電路之相同或類似工具產生，因此微機械及微電子可基於相同矽片製造。

可應用MEMS結構以快速且準確地偵測物理性質之極小改變。舉例而言，可應用微電子陀螺儀以快速且準確地偵測極小角移位。

運動具有六個自由度：在三個正交方向上之平移及環繞三個正交軸線之旋轉。後三者可由亦被稱作陀螺儀之角速率感測器來量測。在MEMS陀螺儀中，科氏效應(Coriolis Effect)用於量測角速率。當塊體在被稱為主要運動之一個方向上移動且施加旋轉角速度時，塊體由於科氏力 (Coriolis force)而在正交方向上經受力。由科氏力引起之所得實體移位接著可自(例如)電容、壓電或壓阻式感測結構讀取。歸因於科氏效應之移位亦可被稱為感測模式。或者，主要運動可被稱為驅動運動、主要模式或驅動模式。

陀螺儀為用於偵測角速度之裝置。在MEMS陀螺儀中，機械振盪用作主要運動。當振盪陀螺儀經受與主要運動之方向正交的角運動時，將產生波形科氏力。此產生次級振盪，亦被稱作感測模式或偵測運動，正交於主要運動且正交於角運動之軸線，且處於主要振盪之頻率。此耦接振盪之振幅可用作角速率之量測，此術語可指代角速度之絕對值。

專利公開案US 7,421,897呈現具有四個諧振器元件之交叉四元組態的慣性感測器。相鄰諧振器元件之框架彼此耦接以便迫使該等框架進入反相移動中。諧振器懸置在框架內。

專利公開案US 8,261,614呈現包括兩個電容驅動諧振器元件之旋轉速度感測器，其中耦接桿置放在兩個震動塊體之間以用於抑制在讀取模式下之震動塊體的平移偏轉。

本發明之目標為藉由將四個偵測質量塊經由耦接槓桿系統適當地彼此耦接而呈現經改良之諧振器結構，從而允許偵測質量塊之反相移動，且防止偵測質量塊之同相移動及異相移動且改良偵測質量塊之間的平衡及均衡。

本發明之一目標為提供克服先前技術缺點之方法及設備。藉由根據申請專利範圍第1項之表徵部分之設備來實現本發明之目標。藉由根據申請專利範圍第10項之表徵部分之方法來進一步實現本發明之目標。

本發明之較佳具體實例在附屬申請專利範圍中揭示。

本發明之具體實例係基於雙槓桿系統之想法，該系統包括促進四個慣性驅動元件之反相驅動運動之外部槓桿系統及促進四個偵測質量塊之反相偵測運動之內部槓桿系統。外部槓桿系統可耦接在驅動運動中之該等元件之相位及振幅兩者。

一般而言，線性的四個塊體陀螺儀提供振動穩固裝置。本發明之具體實例提供外部槓桿系統迫使四個慣性元件進入相同的主要運動中之優點，該等慣性元件中之每一者具有相對於任何相鄰慣性元件之反相方向且在該等四個慣性元件中甚至可具有對應功能元件之間的相等驅動振幅。此種相同的主要運動抑制(例如)由製造程序之非理想性引起之裝置幾何形狀之缺陷的影響。

另一優點為亦迫使偵測質量塊之偵測運動為同步且反相的。此使得所獲得之偵測信號之等級及因此偵測之準確度能夠最大化。另一優點為使用用於設定偵測質量塊之偵測運動之振幅的內部耦接槓桿系統改良所獲得之雙重差動偵測結果之準確度及線性。又一優點為由裝置引起之總動量最小化，此係由於不同移動部分之動量基本上彼此相消，使得裝置自身引起最小振動。

在下文中，將參看附圖結合較佳具體實例更詳細地描述本發明，其中圖1展示例示性陀螺儀結構之示意性演示。

圖2說明驅動運動。

圖3說明偵測運動。

圖1展示例示性陀螺儀結構之示意性演示。

為了簡化描述，我們可將座標置於圖式。我們可考慮將原點置於該結構之中間，在對稱性點中，且x軸在裝置之平面中橫移至左側及右側，y軸在裝置之平面中向上及向下橫移，且z軸方向垂直於x軸及y軸兩者，貫穿裝置之平面橫移。就裝置之平面而言，我們指代由當處於靜置、未經激發至任何運動時的裝置之結構元件形成之平面。

在「耦接」在兩個結構元件之間的表達的情況下，我們可指代直接耦接或藉由一或複數個中間元件(諸如，橫桿或彈簧)之耦接。

術語相對於軸對準指示對稱軸線或指示運動之方向的軸線之幾何及/或功能對準，其在裝置之實務實施所允許之正常容許度(例如，製造容許度)內。此種對準亦可被稱作軸線基本上經對準。

當運動被稱為線性或基本上線性，此指示該運動預期為線性，因此移動之塊體或元件可被視作沿直軸或直線移動。術語線性或基本上線性可互換使用。

陀螺儀結構可包括(例如)驅動諧振器、偵測諧振器、外部耦接槓桿系統(亦被稱作耦接框架系統或簡稱為耦接框架)及內部耦接槓桿系統。如名稱所指示，內部耦接槓桿系統位於由驅動諧振器及/或偵測諧振器之外部邊緣形成之周邊內的陀螺儀結構內部。耦接框架系統形成環繞驅動及偵測諧振器之可撓性框架。主要慣性驅動及偵測系統包含以對配置之四個驅動及偵測諧振器，其基本上處於類似運動中，但呈相對於彼此之經設定之相位。此等驅動諧振器(開放式驅動框架)(100)及偵測諧振器(偵測質量塊)(105)之對連同所附接之彈簧組合起來被稱為慣性元件。四個慣性元件中之每一者已經指派參考字母(A、B、C、D)。稍後我們可在具有此等參考字母之此等慣性元件中將特定慣性元件稱為整體或特定開放式驅動框架或特定偵測質量塊。可注意到，慣性元件A及B形成相對於y軸對稱之對，且慣性元件C及D形成另一相同對。另一方面，慣性元件A及C形成關於x軸對稱之對，類似於由慣性元件B及D形成之相同對。共同地，四個慣性元件形成四邊形、四重對稱組態，其關於裝置之x軸及y軸兩者對稱。四個慣性元件經建構以偵測圍繞相同、單個軸線之角運動。慣性元件形成兩個差動偵測對，該等兩個差動偵測對兩者均經建構以提供差動偵測信號。共同地，兩對元件提供對圍繞相同軸線之角速度之雙重差動偵測。較佳地，四邊形組態具有被劃分成四個域之矩形之形式，其中慣性元件各自置於四個矩形域中之一者中。更佳地，慣性元件之兩側基本上與該等慣性元件之運動軸線(諸如，驅動運動之軸線)對準。根據一具體實例，四邊形形式為正方形。陀螺儀結構包括複數個懸置結構(Susp)，其亦可被稱為錨定器，其並不個別地經編號，但在圖式中可容易地辨別，同時藉由深色經圖案化矩形標記，同時能夠移動及/或變形之裝置之構件藉由淺灰色色彩標記。此等懸置結構將陀螺儀結構與裝置基礎元件耦接，且鑒於以其他方式包含能夠相對於彼此移動及/或變形之部分的陀螺儀結構而可被視為固定區域或點。

驅動諧振器可包括連接至驅動構件之四個開放式驅動框架 (100)，在此實例中該等驅動構件包含驅動彈簧(101)。儘管在圖1中僅慣性元件B之驅動諧振器之驅動彈簧已經編號，但可以看出所有四個慣性元件具有相同驅動彈簧。在此圖中尚未標記座標以便保持結構件可見，但應被理解為類似於圖2及3中所標記之座標，x軸水平地橫移，y軸垂直地橫移且z軸垂直於裝置之平面。原點可置於裝置之中心。驅動諧振器之框架結構為開放式的，指示框架並不形成閉合的封閉區域，但框架結構具有開口，因此形成(例如)類似於C或類似於U之形狀。開放式框架結構中之此開口允許耦接槓桿(115)與滯留在由框架形成之半開放式封閉區域內之結構耦接。四個開放式驅動框架(100)形成四重對稱組態。開放式驅動框架(100)經激發至基本上線性的主要運動，亦被稱為經由激發驅動彈簧之驅動運動。驅動彈簧(101)可藉由壓電致動器激發。如熟習此項技術者所已知，替代驅動彈簧(101)之壓電致動，其他方法及結構可用於引起驅動構件驅動開放式驅動框架(100)，諸如藉由驅動梳狀物之靜電致動。已發現當期望小型陀螺儀結構時，壓電驅動為有益的。驅動彈簧可關於至少一個對稱軸(其可與驅動運動之軸線對準)對稱地置放，但亦可不對稱地置放。驅動彈簧(101)之對稱置放通常可改良開放式驅動框架(100)之驅動運動之線性。在此實例中，每一驅動彈簧(101 A、B、C、D)之一端連接至各別開放式驅動框架(100 A、B、C、D)，同時另一端連接至懸置結構。驅動元件之致動之細節對於熟習此項技術者為已知的，且因此省略。應注意到，開放式驅動框架並非閉合的封閉區域，而為半開放式結構。所有四個開放式驅動框架(100)均經建構以用於在與裝置之單個對稱軸(在當前實例中，此為x軸)對準之方向上之線性驅動運動。因此，對準開放式驅動框架(100)之驅動運動之軸線。與此相關，基本上指示軸線之對準在由實務實施方案所允用之正常容許度(例如，製造容許度)內。

偵測質量塊(105)藉由將基本上線性的驅動運動傳達至偵測質量塊之第一彈簧(106)連接至開放式驅動框架。因此，當各別開放式驅動框架(100)經激發至驅動運動時，偵測質量塊(105)亦經激發至基本上線性的驅動運動中。在此實例中，每一偵測質量塊(105)懸置在各別開放式驅動框架(100)內。四個偵測質量塊(105)形成四重對稱組態。類似於開放式驅動框架，所有四個偵測質量塊(105)均經建構以用於在與裝置之對稱軸(在當前實例中，為x軸)對準之方向上的線性驅動運動。換言之，對準四個偵測質量塊(105)之驅動運動之軸線。與此相關，基本上指示軸線之對準或沿著軸線之運動之對準係在由實務實施方案所允用之正常容許度(例如，製造容許度)內。在此具體實例中，存在四個第一彈簧(106)以用於每一偵測質量塊將偵測質量塊(105)與在其四個轉角中之每一者附近的開放式驅動框架(100)連接。四個第一彈簧(106)之配置可相對於與驅動運動對準之軸線(在此狀況下為與x軸平行之軸線)對稱。第一彈簧(106)允許偵測質量塊(105)在陀螺儀裝置之平面中在y軸方向上移動，且甚至在陀螺儀之平面之外在z軸方向上移動，但第一彈簧(106)在x軸方向上相對剛性，因此使得偵測質量塊在驅動運動之方向上沿著各別開放式驅動框架移動。第一彈簧(106)之確切數目可根據設計改變，但第一彈簧(106)之對稱置放增強驅動運動之線性。第一彈簧(106)至少在驅動運動之方向上應為剛性的，具有較高彈簧常數；而其在偵測運動之方向上應為較鬆弛且彈性的，具有較低彈簧常數。在本具體實例中，第一彈簧(106) 形成為曲折彈簧。儘管相較於(例如)簡單橫桿彈簧，此彈簧類型在x軸方向上較不剛性，但對於偵測運動，其提供偵測質量塊(105)所需之自由度以在y軸方向上移動。然而，在不脫離範疇之情況下，任何其他合適形式之彈簧可用作第一彈簧(106)。

T形耦接槓桿包含兩個橫桿，第一橫桿及第二橫桿，其以類似於T之形式配置，使得第一橫桿之第一端在第二橫桿之長度之一半處附接至第二橫桿之側部。我們亦可將第一橫桿稱為T形耦接槓桿之垂直橫桿，且將第二橫桿稱為T形耦接槓桿之水平橫桿。與此相關，一半指示附接點實質上在一半處，在結構之中間，但位置可在製造容許度內稍微改變。兩個T形耦接較大槓桿(115)為內部耦接槓桿系統之部分。在此例示性具體實例中，偵測彈簧(119)懸置於每一偵測質量塊(105)內之半開放式封閉區域中，使得偵測質量塊(105)中之開口允許T形耦接槓桿(115)到達在偵測質量塊之平面中(亦在裝置之平面中)之封閉區域。在呈現之具體實例中，存在兩個偵測彈簧(119)，其沿x方向軸線對稱地附接至T形耦接槓桿(115)中之每一者之第一橫桿的每一端。每一偵測彈簧(119)之一端固定至懸置點，而另一端耦接至耦接槓桿(115)。當僅存在驅動運動時，偵測彈簧(119)並不移動。當出現偵測質量塊(105)之偵測運動時，耦接槓桿(115)亦開始與附接至耦接槓桿之偵測質量塊(105)一起在xy平面中(在裝置之平面中)以旋轉運動在y軸方向上移動，偵測彈簧(119)開始移動，且當此移動引起偵測彈簧(119)之變形時，可電性地偵測到該移動。在此實例中，偵測係基於與偵測彈簧(119)相關之壓電現象。偵測彈簧(119)之對稱結構進一步改良偵測運動之線性及穩定性，但對於實現所主張發明之功能性並非必要的。可進一步注意到，開放式驅動框架並非閉合框架，而是具有開口之開放式框架，該開口允許耦接槓桿(115)與置於開放式驅動框架內之封閉區域中的偵測質量塊(105)耦接以使得耦接結構處於裝置之平面中。因此，開放式驅動框架(100)中之開口使得能夠使用耦接槓桿(115)在偵測運動中將偵測質量塊(105)之相位及振幅與彼此耦接。開放式驅動框架可表徵為U形或C形框架。

外部槓桿系統(被稱為耦接框架系統)包括槓桿及彈簧，外部槓桿系統環繞四個慣性元件。較佳地，外部槓桿系統之槓桿形成為橫桿，但其亦可具有其他形式。耦接框架系統適當地耦接至開放式驅動框架以用於導引耦接框架系統之移動，且亦促使開放式驅動框架呈相反相位移動。耦接框架系統將所有四個開放式驅動框架彼此耦接，且當互相比較時允許其呈經定義之相位移動，同時防止呈其他相對相位之驅動運動。開放式驅動框架之移動將參考圖2進一步論述。耦接框架系統進一步平衡及均衡開放式驅動框架之間的驅動運動。垂直槓桿(110)耦接在y軸方向上彼此相鄰之兩個開放式驅動框架(100)(在此實例中為開放式驅動框架A與C及開放式驅動框架B與D)，且垂直槓桿(110)藉由第一耦接彈簧(120)耦接至兩個相鄰開放式驅動框架(100)。應注意到，關於開放式驅動框架(100)，我們使用術語相鄰，即使在兩個塊體之間可能存在一些結構件。與此相關，術語相鄰應被理解為描述兩個開放式驅動框架為相鄰慣性元件之部分。確切地，一個彈簧將每一開放式驅動框架耦接至一個垂直槓桿(110)。第一耦接彈簧(120)在x軸方向上、在驅動運動之方向上較佳地為剛性。垂直槓桿(110)藉由在y軸方向上置放在垂直槓桿(110)之長度之一半處的第二耦接彈簧(121)進一步耦接至懸置結構。與此相關，一半指示附接點實質上在一半處，在結構之中間，但位置可在製造容許度內稍微改變。此彈簧將垂直槓桿(110)之中間黏結在大致固定位置中，但允許垂直槓桿(110)環繞此固定點在陀螺儀裝置之平面中之旋轉運動。此運動將參考圖2進一步論述。在當前具體實例中，第一耦接彈簧(120)及第二耦接彈簧(121)形成為相對較細的橫桿。可使用任何形式之彈簧，只要第一耦接彈簧(120)及第二耦接彈簧(121)在驅動運動之方向上具有相對高的彈簧常數，但其應允許垂直槓桿(110)之所需旋轉。

外部耦接槓桿系統進一步包括將兩個垂直槓桿(110)彼此耦接之兩對水平槓桿(111)。具有迴路(112)(U形形式)及兩個傾斜彈簧(122)之第二彈簧配置耦接每一對水平槓桿(111)，且允許耦接至第二彈簧配置之相鄰垂直槓桿(110)呈相反相位移動，同時使同相移動衰減。第二彈簧配置藉由與水平槓桿(111)對準之兩個水平窄橫桿連接在兩個水平槓桿(111)之間。迴路(112)包含正交於兩個水平槓桿(111)之兩個相對較長的平行橫桿及連接兩個平行橫桿之相對較短橫桿。傾斜彈簧(122)定位於迴路(112)與水平槓桿(111)之間，每一者自一端與迴路(112)連接在迴路之根(例如，迴路(112)連接至水平窄橫桿之點)處或其附近。在所提供之實例中，迴路(112)與傾斜彈簧之間的角度為約45度，但此角度可自由選擇。傾斜彈簧(122)亦形成具有兩個較長平行橫桿及互連較短橫桿之類似於迴路之形狀。每一傾斜彈簧(122)之另一端連接至懸置結構(Susp)，在此實例中經由剛性槓桿結構附接至各別懸置結構。第三彈簧(113)將耦接框架系統耦接至外部耦接框架系統之轉角附近的其他懸置點。第三彈簧(113)限制垂直槓桿(110)在z方向上之不合需要之移動。

耦接框架系統之槓桿可較佳地形成為相對寬且穩固的橫桿，以使得外部耦接框架系統之槓桿可被視為剛性結構。

所有四個偵測質量塊(105)經由內部耦接槓桿系統互連。內部耦接槓桿系統包括兩個耦接槓桿(115)及複數個彈簧。耦接槓桿(115)經由第四彈簧(118)將兩個相鄰偵測質量塊(105)彼此耦接。應注意到，關於偵測質量塊(105)，我們使用術語相鄰，即使在兩個偵測質量塊之間可能存在一些結構件，換言之，該等偵測質量塊並不直接相鄰。與此相關，術語相鄰應被理解為描述兩個偵測質量塊為相鄰慣性元件之部分。在當前例示性設計中，對於每一偵測質量塊(105)，存在呈關於偵測質量塊(105)之x軸方向對稱軸之對稱配置置放的兩個第四彈簧(118)。在一替代性具體實例中，第四彈簧(118)並不對稱地置放。第四彈簧(118)在x方向上具有相對較低彈簧常數以允許在此方向上之偵測質量塊驅動運動，但其在y方向上具有較高彈簧常數，使得偵測質量塊(105)之偵測運動與耦接槓桿(115)之移動耦接。此耦接導引偵測質量塊(105)在偵測運動時與彼此呈相反相位移動。在當前具體實例中，經由各別耦接槓桿(115)之兩對偵測質量塊之此等耦接在x方向上沿著兩個不同軸線延伸，藉由非零距離經分離，且亦藉由距陀螺儀裝置之對稱軸(x軸)的非零距離而經分離。較佳地，藉由耦接槓桿的兩對偵測質量塊之連接關於陀螺儀裝置之x軸對稱地定位。

每一耦接槓桿(115)藉由彎曲彈簧(127)耦接至懸置點，且耦接槓桿藉由中心彈簧(128)進一步與彼此互相耦接。應注意到，中心彈簧(128)在裝置靜置或在驅動運動中時貫穿原點橫移，但在其並未直接耦接至任何懸置點(尤其連接至偵測運動)時，其可遠離原點。彎曲彈簧(127)及中心彈簧(128)允許每一耦接槓桿呈與彼此相反相位之旋轉移動，此將參考圖3進一步描述。在當前具體實例中，彎曲彈簧(127)形成為橫桿。內部耦接槓桿平衡且均衡偵測諧振器之偵測運動。

圖2說明主要運動，亦稱為驅動運動。構建部分將藉由與圖1中之元件符號相同的元件符號經提及，但出於明晰之目的，僅此等部分中之一些被添加至圖2，且額外字母用於識別個別構件。在圖2中，我們可參見驅動運動之一個相位，其可說明當驅動運動在一個方向上已達到開放式驅動框架(100)之最大移位時結構元件之位置。驅動運動接著將反向，直至在相反方向上達到最大移位。此另一最大移位位置可藉由相對於x軸鏡像處理圖2而說明。圖2中該等元件之移位經略微誇示以便使運動形象化，在實際裝置中，位於相同平面中之結構元件可不彼此重疊。

在此實例中，驅動構件可包括驅動彈簧(101)，其將開放式驅動框架(100)激發至在x軸方向上之驅動運動中。經由壓電致動在驅動彈簧(101)中產生驅動力。在一替代性具體實例中，驅動構件可包括用於靜電致動之驅動梳狀物。開放式驅動框架100A及100B經激發至相反相位：接著開放式驅動框架100A在x軸方向上移至右側，開放式驅動框架100B在x軸方向上移至左側，且反之亦然。類似地，開放式驅動框架100C及100D在驅動運動時配對成相反相位。儘管驅動驅動彈簧之電信號較佳地在正確相位中產生，但機械槓桿用於確保開放式驅動框架100A、1001B、100C及100D之驅動運動具有所意欲之相對相位。出於此目的引入外部耦接槓桿系統，亦稱為耦接框架系統。另外，經由由耦接框架系統提供之機械耦接，甚至可將開放式驅動框架之驅動運動之振幅(驅動振幅)設定為互相相等。具有互相相等的驅動振幅之驅動框架(100)之此驅動運動進一步經由第一彈簧(106)耦接朝向偵測質量塊(105)，從而引起偵測質量塊(105)之反相驅動運動。此耦接可使得偵測質量塊(105)具有互相相等的驅動振幅。

耦接框架系統包括兩個垂直槓桿(110)。垂直槓桿(110)兩者將兩個相鄰開放式驅動框架彼此耦接：經由第一耦接彈簧(120)，開放式驅動框架100A及100C分別與垂直槓桿110L耦接，且開放式驅動框架100B及100D分別與垂直槓桿110R耦接。儘管開放式驅動框架100A在x軸方向上朝向開放式驅動框架100B向右移動，但經由第一耦接彈簧(120)A耦接至開放式驅動框架100A的滯留於開放式驅動框架100A及100C之左側上之垂直槓桿110L之末端亦將移動至右側。同時，開放式驅動框架100C在x軸方向上向左移動，且與開放式驅動框架100C相鄰之垂直槓桿110L之末端在x軸方向上向左移動，同時其藉由另一第一耦接彈簧120C與開放式驅動框架100C耦接。儘管第二耦接彈簧121L將垂直槓桿110L耦接至固定結構，但垂直槓桿110L變得傾斜，且其將開放式驅動框架100A及100C之移動傳達至彼此，從而確保其呈相反相位移動。藉由陀螺儀元件外部之虛線箭頭而使驅動框架(100)之線性移動之方向形象化。此等方向將在相反相位中反向。垂直槓桿110L均衡附接至其之開放式驅動框架之移動。第一耦接彈簧120A、120C較佳地耦接至藉由非零距離而經分離沿著兩個x軸方向線的開放式驅動框架100A、100C，該等彈簧貫穿開放式驅動框架之對稱線(亦即，在x軸方向上)橫移。此增強所描述之垂直槓桿移動之線性以及開放式驅動框架移動之線性。耦接至開放式驅動框架1001B及100D的在結構右側之垂直槓桿110R以類似於另一垂直槓桿110L之方式移動，但呈相反相位。換言之，儘管兩個垂直槓桿110L及110R之第一端在x軸方向上朝向彼此移動，但其他端在x軸方向上將遠離彼此移動。我們可注意到，第一耦接彈簧120A及120B處於經由共同直線橫穿開放式驅動框架100A及100B以及偵測質量塊105A及105B之相同直線上。在所呈現之實例中，此共同直線與開放式驅動框架100A及100B以及偵測質量塊105A及105B之對稱軸對準，從而促進移動之對稱且使驅動運動穩定且均衡。在一替代性具體實例中，開放式驅動框架100A及100B或偵測質量塊105A及105B可經設計以具有相對於此線之非對稱設計。類似地，第一耦接彈簧120C及120D在x軸方向上置於直線上，該直線沿著該等彈簧之對稱軸貫穿開放式驅動框架100C及100D以及偵測框架105C及105D橫移。

在實踐中，垂直槓桿(110)中之每一者處於可被視為xy平面中之旋轉運動之運動中。然而，儘管傾斜之量極小，但垂直槓桿(110)之各端之移動且尤其第一耦接彈簧(120)之移動在x軸方向上可被視為近似線性的。出於視覺目的，在此圖中誇示陀螺儀結構之各種結構組件之移動，且實體組件之實際移動可小於所展示之移動。

耦接框架系統進一步包括四個水平槓桿(111)。垂直槓桿110L及110R與水平槓桿111A、111B、111C及111D耦接。耦接在兩個垂直槓桿(110)二者之各別端部之間的兩個水平槓桿(111)與包含迴路(112)及兩個傾斜彈簧(122)之其他彈簧配置耦接。可發現類似的另一彈簧配置分別在水平槓桿111A與111B之間以及水平槓桿111C與111D之間。在驅動運動時，水平槓桿(111)具有在x軸方向上移動之組件，以使得當垂直槓桿(110)之各別端朝向彼此移動時，兩個相鄰水平槓桿(111)在x軸方向上朝向彼此移動，且當垂直槓桿(110)之各別端遠離彼此移動時，水平槓桿(111)在x軸方向上遠離彼此移動。可以看出，水平槓桿亦可具有在y軸方向上移動之組件，以使得該等水平槓桿在驅動運動期間經歷一定傾斜。水平槓桿(111)之目的為將垂直槓桿(110)彼此耦接，且將兩個垂直槓桿(110)之移動彼此傳達，以使得兩個垂直槓桿呈相反相位移動。此配置促進開放式驅動框架移動之進一步均衡，以使得在驅動運動時，即使開放式驅動框架100A及100D之相位與開放式驅動框架100B及100C之相位彼此耦接且處於相同相位：當開放式驅動框架100A移至左側時，開放式驅動框架100D亦移至左側；且當開放式驅動框架100B移至右側時，開放式驅動框架100C亦移至右側，且反之亦然。換言之，耦接框架系統將每一對不相鄰開放式驅動框架(100A與100D；100B與100C)之驅動運動耦接至相同相位中(同相運動)，而將每一對相鄰開放式驅動框架(100A與100B；100B與100D；100A與100C；100C與100D)耦接至相反相位中(反相運動)。我們亦可注意到，當開放式驅動框架100A及100B朝向彼此移動時，開放式驅動框架100C及100D遠離彼此移動，以使得兩對開放式驅動框架可被視為與彼此呈相反相位移動。我們可將如上文所描述之四個開放式驅動框架之此種驅動運動(其中設定開放式驅動框架之相對相位，以使得每一相鄰開放式驅動框架具有與相鄰開放式驅動框架之相位相反的相位，且開放式驅動框架對兩者均具有與另一開放式驅動框架對相反之相位)稱為同步反相驅動運動。換言之，在四對相鄰開放式驅動框架(100A，100B；100A，100C；100C，100D；100B，100D)中之每一者中，兩個相鄰開放式驅動框架呈相反相位移動。除經建構以提供差動偵測信號之兩對慣性元件之外，此同步因此亦關於兩個不同慣性元件對之相鄰開放式驅動框架。在允許開放式驅動框架(100)之反相驅動運動的同時，耦接框架系統亦防止同相驅動運動及異相驅動運動。就異相而言，我們指代並非同相或反相(相反相位)，但兩個元件之間的相位差為除0度(同相)或180度(反相)以外之任何值的任何運動。舉例而言，關於此種同步反相運動之益處為裝置之總動量最小化，此係由於不同部分之動量彼此相消。開放式驅動框架(100)之同步反相驅動運動經由第一彈簧(106)進一步傳達至各別偵測質量塊(105)，以使得偵測質量塊(105)將相對於彼此同步進入反相主要運動(驅動運動)中。第一彈簧(106)在驅動運動之方向上為剛性(具有較高彈簧常數)，以使得偵測質量塊(105)之相位遵循各別開放式驅動框架(100)之相位，換言之，開放式驅動框架(100)之反相驅動運動經由第一彈簧(106)傳達至偵測質量塊(105)，從而引起偵測質量塊(105)之反相主要運動，其與開放式驅動框架(100)之反相驅動運動進一步同步。耦接框架系統不僅耦接開放式驅動框架(100)之互相相位，而且其亦耦接開放式驅動框架(100)以使其具有互相相等的驅動振幅(驅動運動之振幅)。驅動框架(100)之互相相等的驅動振幅經由第一彈簧(106)進一步傳達至偵測質量塊(105)，從而亦使得偵測質量塊(105)具有互相相等的驅動振幅，此確保在感測元件(偵測質量塊105)處所引起之相等科氏力。就互相相等的驅動振幅而言，我們指代在主要運動期間功能上類似的元件之振幅之基本上相等的量值，其在正常製造容許度內。驅動框架(100)之同步反相驅動運動及偵測質量塊(105)之同步反相主要運動兩者促成相同的技術益處，當裝置經激發至主要運動中時使其總動量最小化。

圖3說明次級、偵測運動。構建部分將藉由與圖1中之元件符號相同的元件符號而經提及，但出於明晰之目的，僅此等部分中之一些被添加至圖式，且額外字母用於識別個別構件。在圖3中，我們可參見偵測運動之一個相位，其可說明當偵測運動已達到偵測質量塊在一個方向上之最大移位時結構元件之位置。偵測運動接著將反向，直至在相反方向上達到最大移位。此另一最大移位位置可藉由相對於y軸鏡像處理圖3而說明。圖3中該等元件之移位經略微誇示以便使運動形象化，在實際裝置中，位於相同平面中之結構元件可不彼此重疊。

雖然此陀螺儀裝置經設計以偵測及量測圍繞z軸之角速度，但在此實例中，慣性元件之偵測運動在y軸方向上出現在該等元件之平面中。換言之，對準所有四個偵測質量塊之偵測運動之軸線。儘管可藉由在裝置之平面內轉動裝置90度來容易地切換驅動運動及偵測運動之方向，但偵測軸線保持相同。當此圖中所呈現之陀螺儀裝置經歷圍繞y軸之角速度時，科氏力使得偵測質量塊(105)獲得在z軸方向上之振盪偵測運動。耦接槓桿115U耦接相鄰偵測質量塊105A與105B之對，且耦接槓桿115D將相鄰偵測質量塊105C與105D之對彼此耦接。耦接槓桿(115)變成在xy平面內之旋轉運動，藉由圓形的虛線箭頭使該運動形象化。耦接槓桿115U將偵測質量塊105A及105B彼此耦接，以使得在z軸方向上移動之偵測質量塊之相位相反。當第一耦接槓桿115U之一側朝向負y軸移動時，對置端將朝向正y軸移動。在此圖中我們可看見，偵測質量塊105A已基本上在負y軸之方向上向下移動，同時偵測質量塊105B基本上在正y軸之方向上向上移動，且耦接槓桿115U處於圍繞T形耦接槓桿115U之水平橫桿的重心之旋轉運動。已藉由筆直的虛線箭頭形象化偵測質量塊(105)之基本上線性的偵測運動，且藉由彎曲的虛線箭頭形象化耦接槓桿之旋轉運動。在相反相位中，方向將顛倒。另一耦接槓桿115D耦接偵測質量塊105C及105D且變成在xy平面內但在相比於耦接槓桿115U時具有相反轉動角之旋轉運動，且耦接槓桿115D處於圍繞T形耦接槓桿115D之水平橫桿的重心之旋轉運動。由此，每一耦接槓桿115U及115D將分別附接至其之兩個偵測質量塊(105)耦接至具有相反相位的偵測運動中。

藉由兩個耦接槓桿共有的彎曲彈簧(127)及中心彈簧(128)促進耦接槓桿115U及115D之旋轉運動。在將兩個耦接槓桿(115)彼此連接之中心彈簧(128)並未附接至任何固定點時，中心彈簧(128)可彎曲且甚至相對於原點略微移動。中心彈簧將兩個耦接槓桿(115)之相對移動傳達至彼此，從而使得每一槓桿之旋轉運動呈另一者之相反相位。以此方式，耦接槓桿115U及115D將所有四個偵測質量塊之偵測運動的相位彼此傳達，從而促進同步偵測運動，其中相鄰偵測質量塊中之每一者在彼此之相反方向上移動。換言之，在四對兩個相鄰偵測質量塊(105A，105B；105C，105D；105A，105C；105B，105D)中之每一者中，兩個相鄰偵測質量塊在同步反相偵測運動時具有彼此相反的相位。我們可進一步如下描述偵測質量塊之相對偵測運動：當耦接槓桿115U之左側與偵測質量塊105A一起朝向負y軸移動時，耦接槓桿115D之左側與偵測質量塊105C一起移動至正y軸之方向上，且反之亦然。由此，兩對偵測質量塊(第一對105A與105B及對105C及105D)經由耦接槓桿及彎曲彈簧(127)以及中心彈簧(128) 與彼此同步，使得每一對處於呈與另一對之相位相反的相位之偵測運動。另一方面，當觀察個別偵測質量塊之偵測運動時，我們可注意到，偵測質量塊105A及105D呈互相相同相位移動，而偵測質量塊105B及105C呈與先前對之相位相反的互相相同相位移動。由此，此配置確保所有四個偵測質量塊之偵測運動之相位在實務上亦彼此同步。儘管當前裝置具有兩個不同的偵測質量塊對，但每一對經建構以用於差動偵測，且其中每一對經配置以具有呈互相相反的相位之偵測運動，該配置可被稱為執行雙重差動偵測。四個偵測質量塊中之每一者均經建構以偵測圍繞相同單個軸線(在當前實例中為z軸)之相同角運動。此軸線可被稱為偵測軸線。我們可將四個偵測質量塊之此種次級或偵測運動(其中設定偵測質量塊(105)之相對相位，以使得每一偵測質量塊之偵測運動具有與相鄰偵測質量塊中之任一者之相位相反的相位)稱為同步反相偵測運動。另外，在偵測運動時經由由內部耦接槓桿系統(115U、115D)提供之耦接可使得偵測質量塊(105)之振幅相等。在允許偵測質量塊(105)之反相偵測運動的同時，內部槓桿系統亦防止同相偵測運動及任何異相偵測運動。經由使每一不同的偵測質量塊對(105A，105B；105C，105D)之偵測質量塊之偵測運動的相位同步，自偵測彈簧獲得之差動偵測信號的等級可最大化，且由此在相比於偵測質量塊之移動未經同步之系統時，量測值之準確度得以改良。另外，使用內部槓桿系統以用於均衡甚至偵測質量塊(105)之偵測運動之振幅進一步改良雙重差動偵測結果之準確度及線性。另外，整個裝置之總動量最小化，此係由於不同部分之動量彼此相消，使得裝置自身引起最小振動。因此，可使由藉由裝置自身引起之振動引起的錯誤感測信號最小化。出於視覺目的，在此圖中誇示陀螺儀結構之組件之移動，且實體組件之實際移動可小於所展示之移動。

應理解，儘管圖2及圖3分開地呈現驅動及偵測運動，但當陀螺儀元件在量測軸之方向上經受角速度時，此等運動同時發生。上文所描述之不同結構元件之振盪線性或旋轉運動可包含除純的、期望的驅動或偵測運動之外的額外運動組件。此等不合需要之運動組件常常可由製造程序之非理想性及/或由設計約束所強加之一些可接受的非理想性引起。此等基於設計之非理想性之實例為彈簧之一些非對稱配置或非對稱槓桿或塊體結構。因此，應理解，在實際實施之驅動運動或偵測運動中，任何結構元件之移動可與結構元件之運動之理想方向稍微偏離，且/或驅動及偵測運動之相對方向可與確切垂直配置偏離。當該等方向在正常誤差容許度內實質上垂直時，我們使用術語垂直。

對於熟習此項技術者顯而易見，隨著技術進展，本發明之基本想法可以各種方式來實施。本發明及其具體實例因此不限於以上實例，而其可在申請專利範圍之範疇內變化。

Claims

一種用於偵測角速度之微機械裝置，其包含用於偵測圍繞垂直於該微機械裝置之平面之一軸線的角速度之四個偵測質量塊，其特徵在於該微機械裝置進一步包含：四個開放式驅動框架，其中該等四個偵測質量塊經建構以雙重差動地偵測圍繞該軸線之角速度，及一內部耦接槓桿系統，其用於將該等四個偵測質量塊耦接於一同步反相偵測運動中。
如申請專利範圍第1項之微機械裝置，其中該等四個偵測質量塊之基本上線性偵測運動之軸線為互相對準。
如申請專利範圍第1項至第2項中任一項之微機械裝置，其中該等四個開放式驅動框架耦接至用於將該等四個開放式驅動框架耦接於一同步反相驅動運動中之一耦接框架系統，且其中該等開放式驅動框架之基本上線性驅動運動之軸線為互相對準。
如申請專利範圍第3項之微機械裝置，其中該等四個開放式驅動框架以一四重對稱組態安置，其中每四對相鄰偵測質量塊中之兩個相鄰偵測質量塊經建構以呈彼此相反之相位以同步方式移動；其中該等四個開放式驅動框架中之每一者藉由一彈簧耦接至該耦接框架系統，該耦接框架系統允許在該微機械裝置之該平面中之該同步反相驅動運動且防止同相驅動運動及異相驅動運動，其中該等四個偵測質量塊以一四重對稱組態置放，其中每四對相鄰偵測質量塊中之兩個相鄰偵測質量塊經建構以呈彼此相反之相位以同步方式移動；且該等四個偵測質量塊中之每一者藉由至少一個彈簧耦接至該內部耦接槓桿系統，該內部耦接槓桿系統允許垂直於該微機械裝置之該平面之該同步反相偵測運動且防止同相偵測運動及異相偵測運動，且其中該同步反相驅動運動之一方向係垂直於該同步反相偵測運動之方向。
如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之微機械裝置，其中該等四個開放式驅動框架經建構以具有互相相等的驅動振幅，且該等四個偵測質量塊經建構以具有互相相等的驅動振幅；且/或其中該同步反相驅動運動經傳達至該等四個偵測質量塊之一同步反相主要運動；且/或其中該同步反相驅動運動藉由相對於與該驅動運動對準之一軸線對稱地置放之複數個第一彈簧而自該等四個開放式驅動框架中之每一者傳達至該各別偵測質量塊。
如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之微機械裝置，其中該內部耦接槓桿系統包含：兩個耦接槓桿，每一耦接槓桿能夠在該裝置之該平面中旋轉運動；兩個第一彎曲彈簧，各自將該等兩個耦接槓桿中之一者耦接至至少一個懸置結構；及一中心彈簧，其用於將該等兩個耦接槓桿彼此互相耦接。
如申請專利範圍第6項之微機械裝置，其中該等兩個耦接槓桿中之每一者包含一第一橫桿及一第二橫桿，其中該第一橫桿之一第一端在該第二橫桿之長度之一半處附接至該第二橫桿之一第一側，其中該第一橫桿之一第二端耦接至將該等兩個耦接槓桿互相耦接的該中心彈簧，其中該第二橫桿之每一端藉由至少一個第一彈簧耦接至一各別偵測質量塊，其中該第二橫桿在該第二橫桿之該長度之一半處經由該等第一彎曲彈簧中之一者耦接至一懸置點，該懸置點處於與附接該第一橫桿之該側部相反的該第二橫桿之該側部上，且其中在該裝置處於靜置且在驅動運動中時，該等第一彎曲彈簧及該中心彈簧與兩個耦接槓桿二者共同的一對稱線對準。
如申請專利範圍第7項之微機械裝置，其中該等兩個耦接槓桿中之每一者之該第二橫桿之每一端進一步耦接至在該各別偵測質量塊內之一封閉區域中經圖案化之至少一個偵測彈簧，且該至少一個偵測彈簧之另一端係耦接至一懸置結構。
如申請專利範圍第3項至第8項中任一項之微機械裝置，其中該耦接框架系統包含：兩個較長槓桿，其位於該微機械裝置之第一相對側上，每一較長槓桿與兩個不同相鄰開放式驅動框架耦接，其中每一開放式驅動框架與一個較長槓桿恰好耦接在一單一耦接點中，其中一耦接點位於該各別開放式驅動框架之一對稱軸上；四個較短槓桿，其以兩個相鄰較短槓桿之對配置，每一對該等較短槓桿位於該微機械裝置之第二相對側上，其中每一對較短槓桿中之槓桿與包含一迴路及兩個傾斜彈簧之一第一彈簧配置互相耦接，當該等驅動塊體在驅動運動中時，該第一彈簧配置允許該等兩個相鄰較短槓桿呈相反相位移動且防止該等兩個相鄰較短槓桿呈相同相位移動；其中該等較長槓桿及較短槓桿之相鄰端在該各別槓桿之該等相鄰端處或在其附近彼此耦接；且其中該等兩個較長槓桿中之每一者藉由一第三彈簧在該較長槓桿之一長度的一半處進一步與一懸置結構耦接，其中該較長槓桿經建構以圍繞將該較長槓桿耦接至該懸置結構之點在該裝置之位準中旋轉。
如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之微機械裝置，其中每一偵測質量塊安置於該各別開放式驅動框架內之一封閉區域中，且每一偵測質量塊經由一第二彈簧配置而與該各別開放式驅動框架耦接，在該第二彈簧配置中之該等彈簧在該驅動運動之方向上具有一較高彈簧常數且在該偵測運動之方向上具有一較低彈簧常數。
一種操作一微機械裝置以用於偵測角速度的方法，該方法包含：提供包括用於偵測圍繞垂直於該微機械裝置之平面之一軸線的角速度之四個開放式驅動框架及四個偵測質量塊之一微機械裝置，其特徵在於該方法進一步包含：藉由一內部耦接槓桿系統而將該等四個偵測質量塊耦接於一同步反相偵測運動中；及藉由該等四個偵測質量塊雙重差動偵測圍繞該軸線之該角速度。
如申請專利範圍第11項之方法，其中該等四個偵測質量塊之基本上線性偵測運動之軸線為互相對準。
如申請專利範圍第11項至第12項之方法，其中該方法進一步包含藉由一耦接框架系統將該等開放式驅動框架耦接於一同步反相驅動運動中，其中該等開放式驅動框架之基本上線性驅動運動之軸線為互相對準。
如申請專利範圍第12項之方法，其進一步包含：將呈一四重對稱組態之該等四個開放式驅動框架激發至該反相驅動運動，其中每四對兩個相鄰開放式驅動框架呈彼此相反之相位以同步方式移動；及該等四個開放式驅動框架中之每一者藉由一彈簧耦接至該耦接框架系統，該耦接框架系統允許在該微機械裝置之該平面中之該同步反相驅動運動且防止同相驅動運動及異相驅動運動；及使得該等四個偵測質量塊之該反相驅動運動以一四重對稱組態置放，其中每四對兩個相鄰偵測質量塊呈彼此相反之相位以同步方式移動；及該等四個偵測質量塊中之每一者藉由至少一個彈簧耦接至該內部耦接槓桿系統，該內部耦接槓桿系統允許垂直於該微機械裝置之該平面之該同步反相偵測運動且防止同相偵測運動及異相偵測運動；其中該同步反相驅動運動之該方向係垂直於該同步反相偵測運動之該方向。
如申請專利範圍第11項至第14項中任一項之方法，其中：該等四個開放式驅動框架之該激發使得該等開放式驅動框架呈具有互相相等的驅動振幅之該反相驅動運動移動且該等四個偵測質量塊呈具有互相相等的驅動振幅之反相主要運動移動；或其中該方法包含將該同步反相驅動運動傳達至該等四個偵測質量塊以用於引起該等四個偵測質量塊之一同步反相主要運動；或其中該方法包含將該同步反相驅動運動藉由相對於與該驅動運動對準之一軸線對稱地配置之複數個第一彈簧而自該等四個開放式驅動框架中之每一者傳達至該各別偵測質量塊。