TWI377349B - Angular speed measuring transducer - Google Patents

Description

1377349 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種用以量測角速度的轉換器，其藉由以 該角速度旋轉的單一壓電音叉所形成，該轉換器包含一底 部，一激發腳和一偵測腳自該底部延伸而出。且本發明特 別是關於設置在偵測腳上之偵測電極的配置。 【先前技術】 習知技術已知（特別是從歐洲第EP 0 750 1 77號專利 )藉由具有底部之單一音叉所形成的陀螺測速儀，其中， 設有激發電極的第一腳和設有偵測電極的第二腳從該底部 延伸而出。 圖1顯示可用於陀螺測速儀中之音叉1類型的例子， 顯示在圖la中的縱向剖面音叉1主要包含固定至兩腳3、 4的底部，該組合體是由壓電石英材料製成。如圖lb所示 的橫向剖面，每一腳3、4包括有電極。激發腳3包括彼 此連接的第一對激發電極5a、5b、和彼此連接的第二對激 發電極6a、6b。交流電氣信號在音叉的共振頻率施加於電 極5a、5b對應圖la的主平面；交流電氣信號以和施加於 電極5a、5b相反的相位施加於電極6a、6b。這些交流電 氣信號的施加激發且因此造成音叉1之腳3、4在第一平 面中如箭頭9所指示地機械性振動。偵測腳4包括彼此連 接的第一對偵測電極7a、7b、和彼此連接的第二對偵測電 極8a ' 8b。該兩對偵測電極將偵測腳的機械性振動轉換成 -4-

(D (2) 1377349 - v 電氣信號，藉由該等電極所連接的偵測電路來偵測該電氣 信號。 依據音叉陀螺測速儀理論，當激發信號被施加至激發 電極5a-5b' 6a-6b時，音叉1繞其縱軸10的角旋轉運動 產生垂直於被激發腳之速度且垂直於旋轉軸10的科氏力 (Coriolis force )，且因此在垂直於該激發振動平面的一 平面內產生如箭頭11所指示之偵測腳4的振動。此機械 • 性振動被音叉1的壓電石英轉換成電氣信號，該電氣信號 - 被音叉偵測電極7a-7b、8a-8b所偵測。 發現此偵測電極配置的主要問題之一在於，位於施加 相反電氣信號至兩偵測電極之間的待偵測場的電氣路徑並 非線性的，因此損失了場線中不能忽略的部分。所以偵測 量測不是最佳的。 —種理論上有興趣的解決方案在於設置如圖lc所示 的雨對偵測電極7a-7b、8a-8b。但是此解決方案具有一主 Φ 要缺點，其需要執行難以控制的複雜製造方法。呈現在音 叉複數側面上的複數電極是由“電極沉積”製成，該“電極 沉積”須實施在側面的整個厚度上，所以很難將該“電極沉 . 積”分離成兩塊，以獲得兩塊有區別之所欲的電極7b、8b 。再者，此類型的陀螺測速儀是呈串聯地製成，亦即一個 在另一個的旁邊，因此也很難將形成在音叉外側面的電極 沉積分離成可區別的兩電極7a、8b。 此外，前述各種解決方案具有一額外缺點，亦即爲了 供應用於陀螺測速儀，所以音叉的尺寸當然必須儘可能地 -5- (3) 1377349 小 【發明內容】 本發明的主要目的之一在於，藉由製成一種供 速度的轉換器以克服前述的缺點。該轉換器呈設有 壓電共振器的形式’該音叉具有偵測電極構造。雖 容易實施的製造方法，該電極構造確保了對產生在 ^ 內的電場最佳的量測。 • 因此，在本發明的範圍內，電極的配置使得一 製造方法是簡單的，且另一方面在偵測腳內被偵測 線’在相反電極之間沿著大致線性電氣路徑行經偵 爲亇此目的，音叉之偵測腳的每一主要頂面和底面 蝕刻有一槽，其也具有在相同性能下縮小音叉尺寸 。因此本發明關於說明中序文之用以量測角速度的 ，其特徵在於該偵測腳包括在該頂面上的至少一個 • 和在該底面上的至少一個第二槽，該第一和第二槽 一者具有複數側腹；且其特徵在於該偵測裝置包括 第二偵測電極'及第三和第四偵測電極；該第一和 • 測電極設置成彼此相面對，且該第一偵測電極設置 —槽之該等側腹其中之一上，第二偵測電極設置使 第一和第二偵測電極之間的電場，實質地直線穿過 腳；且該第三和第四偵測電極設置成彼此相面對， 測電極設置在該第二槽的該等側腹其中之一上’第 電極設置使得在該第三和第四偵測電極之間的電場 量測角 音叉之 然使用 偵測腳 方面其 的電場 測腳。 上至少 的優點 轉換器 第一槽 中的每 第一和 第二偵 在該第 得在該 該偵測 第三偵 四偵測 ，實質 -6- (4) 1377349 v 地直線穿過該偵測腳。 依據本發明的第一較佳實施例，該量測的轉換器之特 徵在於該偵測腳包括在該頂面上的第三槽和在該底面上的 第四槽，該第三和第四槽每一者具有二個側腹；且其特徵 在於該第一' 第二偵測電極分別設置在該第一、第三槽之 該等側腹其中之一上，使得在該第一和第二偵測電極之間 的該電場是大致直線穿過該偵測腳；且其特徵在於該第三 φ 、第四偵測電極分別設置在該第二、第四槽之該等側腹其 - 中之—上，使得在該第三和第四偵測電極之間的該電場是 大致直線穿過該偵測腳。 依據本發明的第二較佳實施例，該量測的轉換器之特 徵在於該第二偵測電極設置在該偵測腳之第一側面的整個 厚度上’使得在該第一和第二偵測電極之間的電場，實質 地直線穿過該偵測腳；且其特徵在於該第四偵測電極設置 在該偵測腳之第二側面的整個厚度上，使得在該第三和第 # 四偵測電極之間的電場’實質地直線穿過該偵測腳。 此外，爲了小型化’機構式解除耦合裝置有利地設在 音叉的底部，因此更縮小後者的尺寸。 【實施方式】 依據圖2a、2b所示之本發明的第—較佳實施例，用 以量測角速度的裝置包括由以角速度旋轉之單一壓電（習 知石英）音叉21所形成的一轉換器，該音叉21由從底部 22延伸出兩平行腳23、24的一底部22所形成，兩平行腳 (5) (5)1377349 23、24被槽所分離，且每一腳帶有傳導性沉積，該等沉積 形成相反極性的電極，該等電極產生並偵測在腳內的交流 電場，該交流電場被壓電變形導致之音叉振動所造成和引 起。每一腳23、24具有二主要頂面和底面、及二側面。 激發裝置25、26設置在兩腳其中之一上（該腳稱爲 激發腳23)，以便響應激發信號而以特定的頻率產生轉換 器的振動，較佳地對應於音叉在其X-Y平面（在第一方向 )的共振頻率。圖2b是沿著圖2a之Π-Π軸的橫剖面， 依據圖2b所示實施例，激發裝置包括第一對激發電極25a 、25b (或中央電極）和第二對激發電極26a、26b (或側 電極）。第一對激發電極25a、25b分別設置在激發腳的 頂面和底面。第二對激發電極26a、26b分別設置在激發 腳之兩側面中之一或另一的整個厚度上。 電極是設置用於以習知的方式將中央電極25a和25b 電氣連接至激發源的其中一極，並將側電極26a和26b電 氣連接至激發源的相反極。這些連接可藉由在音叉上沉積 傳導性路徑而獲得。在圖2a中的例子，激發源已顯示成 振盪器41的形式。在操作期間，藉由彎曲音叉的激發腳 23，由於在腳23、24之平面內的橫向交流電場，所以能 維持共鳴器振動。 依據較佳的變化例，激發腳23具有在激發腳之頂面 和底面每一者上之縱向中空的二槽29-30、31-32，槽的深 度爲激發腳之厚度的20¾至45%之間，且較佳是30¾的 等級》 -8 - ⑧ (6) (6)1377349 中央電極25a、25b分別設置，以橫向覆蓋分別蝕刻 在對應面上的槽29-30、31-32。 將中央電極設置在蝕刻於腳厚度內的槽內，會增加壓 電耦合。具有相同的尺寸，該增加會導致降低音叉的均等 阻抗，且因此降低與其結合之振盪器的功率消耗。因爲具 有等質的因素，所以該配置能夠縮小共鳴器的尺寸。 在兩面上設置槽成對稱的腳剖面，其可防止腳在其平 面外側變形。槽的存在有助沿著結晶之電氣軸X產生均質 的電場。 然而，可想像期待在激發腳之每一頂面和底面上只設 —槽。在此種情況中，中央電極橫向地覆蓋呈現在對應面 上的單一槽。最後，也可想像激發腳上不設任何槽。 再度參考圖2a和2b，偵測裝置27 ' 28設在音叉的另 一支腳（稱爲偵測腳24 )上，以產生電氣偵測信號回應轉 換器的第二振動。第二振動是由於第一振動和相對於縱軸 10的轉動，其具有相同的特定頻率且在垂直第一方向的第 二方向。第二振動包括一有用的分量，其振幅代表角速度 包含有前述音叉的陀螺測速儀進一步包括一合適的量 測設備，該量測設備顯示成一偵測器42的形式。因爲該 量測設備的的構造取決於轉換器之角速度被測量的目的， 所以在此不描述該設備。此量測設備從電氣偵測信號供給 代表角速度的量測信號。 偵測腳24包括縱向地蝕刻在每一頂面和底面上的兩 -9 - (7) (7)1377349 個槽33-34、35-3 6。每一槽具有二側腹。偵測裝置包括彼 此面對而設置在頂面上的第一對偵測電極27a和第二偵測 電極28。該第一對偵測電極2 7a設在槽33的其中一側腹 上，且第二偵測電極28a設在槽34的其中一側腹上，使 得兩電極27a和28a之間的電場大致直線穿過偵測腳24。 該偵測裝置也包含彼此面對而設置在底面上的第三對偵測 電極27b和第四偵測電極28b。該第三對偵測電極27b設 在槽35的其中一側腹上，且第四偵測電極28b設在槽36 的其中一側腹上，使得兩電極27b和28b之間的電場大致 直線穿過偵測腳24。電極27a和27b連接至偵測器42的 第一極，且電極28a和28b連接至和第一極相反之偵測器 42的第二極。因此當提供簡單的電極沉積方法類似於歐洲 第EP 0 750〗77號專利所揭露者時，產生在偵測腳內的電 場偵測最佳》 藉由例子的方式，縱向蝕刻在偵測腳之頂面和底面中 每一者上的槽的深度，爲偵測腳之厚度的20%至45%之 間，且較佳是30¾的等級。 此外，爲了小型化，機構式解除耦合裝置37有利地 設置在部38和振動腳23、24之間，該部38供音叉的底 部固定至陀螺測速儀。依據第一變化例，這些機構式解除 耦合裝置可由設在底部之頂的凹陷37所形成。依據第二 變化例（未示於此），這些機構式解除耦合裝置可由設在 底部22之頂中央的孔所形成。前述各種變化例的組合也 可想像期待。 -10- (8) 1377349 • m 應注意的是圖2c和3，下文將描述該些圖，但 化，不再顯示振盪器41和偵測器42。 圖2c顯示圖2a和2b相關描述的音叉變化例 化例是基於所謂的交叉（十字）狀電極音叉。事實 和前述第一實施例的差異是在於，一對激發電極和 測電極互調。所以應瞭解具有交叉狀電極之此類型 ，其和前述實施例以相同方式操作，且因此具有相 • 點。 . 因此依據此特殊的實施例，第一腳23包括第 電極25a和第二激發電極26a及第三激發電極26b 激發電極25a例如設在頂面，以橫向覆蓋槽29-30 激發電極26a及第三激發電極26b連接.至和第一電 接者相反的電位，且分別設在其中一側面的整個厚 腳23之另一側面的整個厚度上。該腳23包括彼此 地設在其底面上的第一偵測電極27b和第二偵測電 • 。該第一電極27b設在槽35之其中一側腹上，且 電極28b設在槽36之其中一側腹上，使得兩電極 2 8b之間的電氣路徑大致直線穿過腳23。 . 另一腳24以相同的方式包括彼此相面對地設 面上的第三偵測電極27a和第四偵測電極28a。該 極27a設在槽33之其中一側腹上，且該第四電極 在槽34之其中一側腹上，使得兩電極27a和28a 電氣路徑大致直線穿過腳24。腳24更包括第四激 25b和第五激發電極26c及第六激發電極26d»第 爲了簡 。此變 上，其 一對偵 的音叉 同的優 一激發 。第一 。第二 極所連 度上和 相面對 極28b 該第二 27b和 在其頂 第三電 2 8 a設 之間的 發電極 四激發 (9) 1377349 ，· 電極25b例如設在底面，以橫向覆蓋槽3卜32。第五激發 電極26c及第六激發電極26d分別設在其中一側面的整個 厚度上和腳24之另一側面的整個厚度上。 圖3顯示用於本發明第二實施例之陀螺測速儀的音叉 。依據此一實施例，偵測腳24在每一頂面和底面只具有 —個槽37、38。槽37蝕刻在偵測腳的頂面上，第一偵測 電極39a設在槽37的其中一側腹上。第二偵測電極40a φ 設在偵測腳其中一側面的整個厚度上，使得兩電極3 9 a和 40a之間的電場大致直線穿過偵測腳24。 偵測腳更包括第三偵測腳39b和第四偵測腳40b。槽 38蝕刻在腳的底面上，第三偵測電極39b設在槽38的其 中一側腹上。第四偵測電極4Ob設在偵測腳之第二側面的 整個厚度上，使得兩電極3 9b和4 0b之間的電場大致直線 穿過偵測腳24。其中，該第二側面和設置第二電極40a的 側面相對。 # 應注意的是如圖2a、2b、3所示，壓電音叉爲石英， 其主要的頂面和底面大致垂直於石英之光軸（z)，且腳 大致沿著該石英的機構軸（y)延伸。 . 很清楚地，本說明書所描述之本發明的各種實施例， 可做熟悉該項技藝人士顯而易知的各種變化和改良。特別 要注意的是，偵測腳和激發腳可互換，激發腳當做偵測腳 使用，反之亦然。機構式耦合裝置可用於前述的每一實施 例。所謂交叉形電極音叉解決方案，其成對的觸發電極和 偵測電極可在兩腳之間互換，而不會脫離所附申請專利範 -12 - (10) 1377349 圍所定義的本發明。 【圖式簡單說明】 在閱讀本發明之實施例的上述詳細說明之後，本發明 的其他特徵和優點會更清楚，該等實施例的說明僅做爲非 限制性的例子且由附圖例示。附圖爲： 圖la (已描述過）是像用在某些習知陀螺測速儀之音 φ 叉的縱剖面； - 圖lb (已描述過）是圖la之音叉的激發腳和偵測腳 在I · I的橫剖面； 圖lc (已描述過）是具有偵測電極最佳配置之音叉的 激發腳和偵測腳的橫剖面；. 圖2a是用於本發明第一實施例之陀螺測速儀的音叉 之縱剖面； 圖2b是圖2a之音叉的激發腳和偵測腳在ΙΙ-Π的放 • 大橫剖面； 圖2c是本發明第一實施例之變化例的音叉兩腳放大 橫剖面； - 圖3是本發明第二實施例之音叉的激發腳和偵測腳的 放大橫剖面。 【主要元件之符號說明】 1 :音叉 2 :底部 -13- (11) 1377349 3 :激發腳 4 :偵測腳 5a、5b:第一對激發電極 6a、6b :第二對激發電極 7a、7b :第一對偵測電極 8a、8b :第二對偵測電極 9 :箭頭 φ 1 〇 :縱軸 • 1 1 :箭頭 2 1 :音叉 22 :底部 23 :激發腳 24 :偵測腳 25 :激發裝置 25a、25b:第一對激發電極（中央電極） • 25a :第一激發電極 25b :第四激發電極 26 :激發裝置 • 26a、26b :第一對激發電極（側電極） 26a:第二激發電極 26b :第三激發電極 26c :第五激發電極 26d :第六激發電極 27 :偵測裝置 (12) 1377349 - 礞 27a :第一偵測電極；第三偵測電極 27b :第三偵測電極；第一偵測電極 28 :偵測裝置 28a :第二偵測電極；第四偵測電極 2 8b :第四偵測電極；第二偵測電極 29 :槽 30 :槽 • 31 :槽 . 32 :槽 33 :槽 34 :槽 35 :槽. 36 :槽 37 :槽 37:機構式解除耦合裝置 φ 38 :槽 38 :部（分） 3 9a :第一對偵測電極 . 3 9b :第三對偵測電極 40a :第二對偵測電極 40b :第四對偵測電極 -15-

Claims (1)

1. iy.7349 附件3A :第〇94144551號申請專利範圍修正本 十、申請專利範圍 民國101年9月12 1_ 一種用以量測角速度的轉換器，其由以下所 日修正 形成 單一壓電音叉，其以該角速度轉動； 該音叉包括第一和第二振動腳，該等腳從—底部 $ ，每一腳具有二主要頂面和底面、及二側面； 用以激發該音叉之第一振動的激發裝置，其設置 兩腳其中之一上，該腳稱做激發腳； 用以偵測該音叉之第二振動的偵測裝置，該第二 回應該第一振動和該音叉的轉動而產生，該裝置設置 兩腳中的另一腳上，該另一腳稱做偵測腳； 其中該偵測腳包括在該頂面上的至少一個第一槽 該底面上的至少一個第二槽，該第一和第二槽中的每 φ 具有複數側腹；和 其中該偵測裝置包括第一和第二偵測電極、及第 第四偵測電極；該第一和第二偵測電極設置成彼此相 且該第一偵測電極設置在該第一槽之該等側腹其中 上’設置第二偵測電極使得在該第一和第二偵測電極 的電場’實質地直線穿過該偵測腳；且該第三和第四 電極設置成彼此相面對’第三偵測電極設置在該第二 該等側腹其中之一上，設置第四偵測電極使得在該第 第四偵測電極之間的電場’實質地直線穿過該偵測腳 延伸 在該 振動 在該 和在 —者 三和 面對 之一 之間 偵測 槽的 三和 1377349 /6年？月μ日修(更)正替換頁 2 .如申請專利範圍第1項所述用以量測角速度的轉 換器，其中該偵測腳包括在該頂面上的第三槽和在該底面 上的第四槽，該第三和第四槽每一者具有二個側腹； 其中該第一、第二偵測電極分別設置在該第一、第三 槽之該等側腹其中之一上，使得在該第一和第二偵測電極 之間的該電場是實質地直線穿過該偵測腳；和 其中該第三、第四偵測電極分別設置在該第二、第四 槽之該等側腹其中之一上，使得在該第三和第四偵測電極 之間的該電場是實質地直線穿過該偵測腳。 3 .如申請專利範圍第2項所述用以量測角速度的轉 換器，其中該激發裝置包括分別設置在該激發腳之該頂面 、底面、和側面上的第一、第二、第三、和第四激發電極 ;其中該激發腳至少具有分別在該激發腳之頂面上的一第 —槽、在該激發腳之底面上的一第二槽；且其中設置該第 一激發電極以橫向地覆蓋該第一槽，和設置該第三激發電 極以橫向地覆蓋該第二槽。 4.如申請專利範圍第2項所述用以量測角速度的轉 換器，其中該音叉是具有交叉狀電極的音叉。 5 .如申請專利範圍第3項所述用以量測角速度的轉 換器，其中該音叉是具有交叉狀電極的音叉。 6.如申請專利範圍第1項所述用以量測角速度的轉 換器，其中該第二偵測電極設置在該偵測腳之第一側面的 整個厚度上，使得在該第一和第二偵測電極之間的電場， 實質地直線穿過該偵測腳；和 -2- 1377349

   其中該第四偵測電極設置在該偵測腳之相對於第一側 面的第二側面之整個厚度上，使得在該第三和第四偵測電 極之間的電場’實質地直線穿過該偵測腳。 7 _如申請專利範圍第1項所述用以量測角速度的轉 換器’其中該壓電音叉爲石英，其主要頂面和底面實質地 垂直於該石英之光軸（z)，且其中該等腳實質地沿著該 石英的機構軸（y)延伸。 8 .如申請專利範圍第1項所述用以量測角速度的轉 換器，其中該底部在用以固定該底部的部分和該音叉的腳 之間，設有機構式解除耦合裝置。

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