TWI382151B - 角速度量測轉換器 - Google Patents

Description

角速度量測轉換器

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。

習知技術已知(特別是從歐洲第EP 0 750 177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1a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1b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1a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。

一種理論上有興趣的解決方案在於設置如圖1c所示的兩對偵測電極7a－7b、8a－8b。但是此解決方案具有一主要缺點，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，亦即為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小。

本發明的主要目的之一在於，藉由製成一種供量測角速度的轉換器以克服前述的缺點。該轉換器呈設有音叉之壓電共振器的形式，該音叉具有偵測電極構造。雖然使用容易實施的製造方法，該電極構造確保了對產生在偵測腳內的電場最佳的量測。

因此，在本發明的範圍內，電極的配置使得一方面其製造方法是簡單的，且另一方面在偵測腳內被偵測的電場線，在相反電極之間沿著大致線性電氣路徑行經偵測腳。為了此目的，音叉之偵測腳的側面上設有凸部，所以設置在頂部的偵測電極可和設置在腳之底部上的電極分離。

因此依據較佳的實施例，本發明關於說明中序文所述的一種用以量測角速度的轉換器，其特徵在於偵測腳具有交叉形的剖面，該剖面包括二頂側面和二底側面，該等頂面和底面被複數凸部所分離，該等凸部相對於該等頂面和底面突出；和偵測裝置包括第一和第二偵測電極、及第三和第四偵測電極；該第一和第二偵測電極設置成彼此相面對，且每一第一和第二偵測電極設置在其中一頂側面上，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；該第三和第四偵測電極設置成彼此相面對，且每一第三和第四偵測電極設置在其中一底側面上，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，為了小型化，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。

依據圖2a、2b所示之本發明的第一較佳實施例，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所造成之音叉振動所造成和引起。

激發裝置25、26設置在兩腳其中之一上(該腳稱為激發腳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Ⅱ－Ⅱ軸的橫剖面，依據圖2b所示實施例，激發腳23有利地具有十字(交叉)形剖面，該十字形剖面包括二頂側面31－32和二底側面35－36，該頂面和底面被凸部39－40所分離，該等凸部較佳是大致沿著x軸相對於頂側面和底側面突出。依據此第一貫施例，激發裝置包括第一對激發電極25a、25b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31－32和底面35－36。第二對激發電極26a、26b分別設置在激發腳之凸部39、40之整個厚度上。

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43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。

偵測裝置27、28設在音叉的另一支腳(稱為偵測腳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，該量測設備顯示呈一接收器44的形式。因為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。

此外，依據圖2b所示的實施例，偵測腳24具有十字(交叉)形剖面，該十字形剖面包括二頂側面33－34和二底側面37－38，該頂面和底面被凸部41－42所分離，該等凸部較佳是大致沿著x軸相對於頂側面和底側面突出。

偵測裝置包括彼此相面對而設置，且分別在一頂側面33和另一頂側面34上的第一偵測電極27a和第二偵測電極28a，使得兩電極27a、28a之間的電氣路徑大致直線穿過偵測腳24。偵測裝置也包含彼此相面對而設置，且分別在一底側面37和另一底側面38上的第三偵測電極27b和第四偵測電極28b，使得兩電極27b、28b之間的電氣路徑大致直線穿過偵測腳24。電極27a和27b連接至偵測器44的第一極，而電極28a和28b連接至偵測器44和第一極相反的第二極。因此當提供簡單的電極沉積方法類似於歐洲第EP 0 750 177號專利所揭露者時，產生在偵測腳內的電場偵測最佳。

此外，為了小型化，機構式解除耦合裝置45有利地設置在部46和振動腳23、24之間，該部46供音叉的底部固定至陀螺測速儀。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。

應注意的是圖2c、3a、3b，下文將描述該些圖，但為了簡化，不再顯示振盪器43和偵測器44。

圖2c顯示圖2a和2b相關描述的音叉變化例。此變化例和第一實施例在激發腳23上之激發電極的配置不同。

依據此變化例，激發裝置替代性地包括第一對激發電極25a、25b和第二對電極(或中央電極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部和底部，且未覆蓋頂側面31－32和底側面35－36。第二對電極26a、26b分別設置在激發腳之凸部的整個厚度上，且也至少局部覆蓋側面的頂部和底部31和35、32和36。

圖3a顯示用於本發明第二實施例之陀螺測速儀的音叉橫剖面。激發腳23和偵測腳24都具有大致交叉狀的剖面，其包含二頂側面32－32和33－34、及二底側面35－36和37－38。藉由凸部39－40和41－42分別隔離頂面和底面，該等凸部較佳是大致沿著x軸突出頂側面和底側面。二腳皆包括頂面47、48、和底面49、50，該等面較佳是大致在XY平面內。

在圖3a所示的實施例中，激發腳23包括蝕刻在其頂面47上的兩個槽51－52、和蝕刻在其底面49上的兩個槽53－54。但是可以想像期待以另一種方式，在每一頂面和底面只設一槽。

激發裝置包括第一激發電極25a和第二激發電極25b。第一激發電極25a設在頂面47上，以橫向地覆蓋槽51－52；第二激發電極25b設在底面49上，以橫向地覆蓋槽53－54。激發裝置也包括第三激發電極26a和第四激發電極26b(或側電極)，其連接至和第一電極25a、25b所連接者相反的電位，且分別設置在激發腳之凸部39、40的整個厚度上，且至少局部覆蓋頂面31、32、底面35、36、和側面。

以相同的方式，偵測腳24包括蝕刻在其頂面48上的兩個槽55－56、和蝕刻在其底面50上的兩個槽57－58。每一槽具有側腹。但是就激發腳而言，可以想像期待以另一種方式，在每一頂面和底面只設一槽。也應注意到在兩面上設置槽成對稱的腳剖面，其可防止腳在平面外側變形。槽的存在有助沿著結晶之電氣軸X產生均質的電場。

此外依據圖3a，偵測裝置包括第一對偵測電極27a－28a和第三對偵測電極27c－28c。該第一對偵測電極27a－28a彼此面對而設置，電極28a設在頂側面33上，另一電極27a設在槽55的其中一側腹上，使得在兩電極27a和28a之間的電場大致直線穿過腳24。該第三對偵測電極27c－28c彼此面對而設置，電極27c設在頂側面34上，另一電極28c設在槽56的其中一側腹上，使得在兩電極27c和28c之間的電場大致直線穿過腳24。以對稱的方式，偵測裝置包括第二對偵測電極27b－28b和第四對偵測電極27d－28d。該第二對偵測電極27b－28b彼此面對而設置，電極28b設在底側面38上，另一電極27b設在槽58的其中一側腹上，使得在兩電極27b和28b之間的電場大致直線穿過腳24。該第四對偵測電極27d－28d彼此面對而設置，電極27d設在底側面37上，另一電極28d設在槽57的其中一側腹上，使得在兩電極27d和28d之間的電場大致直線穿過腳24。

依據此第二實施例，縱向蝕刻在激發腳和偵測腳之每一頂面和底面之槽55－58的深度，為腳之厚度的20%至45%之間，且較佳是30%的等級。

將電極設置在蝕刻於腳厚度內的槽內，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。因為具有等質的因素，所以該配置能夠縮小共鳴器的尺寸。

依據顯示於圖3b之第二實施例的變化例，激發腳和偵測腳在每一頂面和底面只具有一槽。在此情況，設置在激發腳之頂面和底面上的激發電極，橫向地覆蓋對應的槽。至於偵測裝置，其包括第一對偵測電極27a－28a和第三對偵測電極27c－28c。該第一對偵測電極27a－28a彼此面對而設置，電極28a設在頂側面33上，另一電極27a設在槽59的其中一側腹上，使得在兩電極27a和28a之間的電場大致直線穿過腳24。該第三對偵測電極27c－28c彼此面對而設置，電極27c設在頂側面34上，另一電極28c設在槽59的另一側腹上，使得在兩電極27c和28c之間的電場大致直線穿過腳24。以對稱的方式，偵測裝置包括第二對偵測電極27b－28b和第四對偵測電極27d－28d。該第二對偵測電極27b－28b彼此面對而設置，電極28b設在底側面38上，另一電極27b設在槽60的其中一側腹上，使得在兩電極27b和28b之間的電場大致直線穿過腳24。該第四對偵測電極27d－28d彼此面對而設置，電極27d設在底側面37上，另一電極28d設在槽60的另一側腹上，使得在兩電極27d和28d之間的電場大致直線穿過腳24。

應注意的是如圖2a、2b、3a、3b所示，壓電音叉為石英，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圍所定義的本發明。

1．．．音叉

2．．．底部

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

10．．．縱軸

11．．．頭箭

21．．．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)(圖2b)

25a．．．第一激發電極(圖3b)

25b．．．第二激發電極(圖3b)

26．．．激發裝置

26a、26b．．．第一對激發電極(側電極)(圖2b)

26a．．．第三激發電極(圖3b)

26b．．．第四激發電極(圖3b)

27．．．偵測裝置

27a．．．第一偵測電極(圖2b)

27b．．．第三偵測電極(圖2b)

28．．．偵測裝置

28a．．．第二偵測電極(圖2b)

28b．．．第四偵測電極(圖2b)

27a、28a．．．第一對偵測電極(圖3a)

27b、28b．．．第二對偵測電極(圖3a)

27c、28c．．．第三對偵測電極(圖3a)

27d、28d．．．第四對偵測電極(圖3a)

31．．．頂側面

32．．．頂側面

33．．．頂側面

34．．．頂側面

35．．．底側面

36．．．底側面

37．．．底側面

38．．．底側面

39．．．凸部

40．．．凸部

41．．．凸部

42．．．凸部

43．．．振盪器

44．．．偵測器(接收器)

45．．．機構式解除耦合裝置

46．．．部(分)

47．．．頂面

48．．．頂面

49．．．底面

50．．．底面

51．．．槽

52．．．槽

53．．．槽

54．．．槽

55．．．槽

56．．．槽

57．．．槽

58．．．槽

59．．．槽

60．．．槽

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為非限制性的例子且由附圖例示。附圖為：圖1a(已描述過)是像用在某些習知陀螺測速儀之音叉的縱剖面；圖1b(已描述過)是圖1a之音叉的激發腳和偵測腳在I－I的橫剖面；圖1c(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Ⅱ－Ⅱ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3a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；圖3b是本發明第二實施例之變化例的音叉激發腳和偵測腳的放大橫剖面。

23．．．激發腳

24．．．偵測腳

25a、25b．．．第一對激發電極(中央電極)

26a、26b．．．第一對激發電極(側電極)

27a．．．第一偵測電極

27b．．．第三偵測電極

28a．．．第二偵測電極

28b．．．第四偵測電極

31．．．頂側面

32．．．頂側面

33．．．頂側面

34．．．頂側面

35．．．底側面

36．．．底側面

37．．．底側面

38．．．底側面

39．．．凸部

40．．．凸部

41．．．凸部

42．．．凸部

43．．．振盪器

44．．．偵測器(接收器)

Claims (8)

1. 一種用以量測角速度的轉換器，其由以下所形成：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，該等腳從一底部延伸；用以激發該音叉之第一振動的激發裝置，其設置在該兩腳其中之一上，該腳稱做激發腳；用以偵測該音叉之第二振動的偵測裝置，該第二振動回應該第一振動和音叉的轉動而產生，該裝置設置在該兩腳中的另一腳上，該另一腳稱做偵測腳；其中該偵測腳具有交叉形的剖面，該剖面包括二頂側面和二底側面，該等頂面和底面被複數凸部所分離，該等凸部相對於該等頂面和底面突出；和其中該偵測裝置包括第一和第二偵測電極、及第三和第四偵測電極；該第一和第二偵測電極設置成彼此相面對，且每一第一和第二偵測電極設置在其中一頂側面上，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；該第三和第四偵測電極設置成彼此相面對，且每一第三和第四偵測電極設置在其中一底側面上，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。
2. 如申請專利範圍第1項所述用以量測角速度的轉換 器，其中該激發腳具有交叉形的剖面，該剖面包括二頂側面和二底側面，該等頂面和底面被第一和第二凸部所分離，該等凸部相對於該等頂面和底面突出；和其中該激發裝置包括第一對激發電極和第二對激發電極；該第一對激發電極分別設置在該激發腳的頂部和底部，且分別覆蓋該等頂側面和底側面；該第二對電極中的每一電極，設置在該激發腳的一凸部或另一凸部的厚度上。
3. 如申請專利範圍第1項所述用以量測角速度的轉換器，其中該激發腳具有交叉形的剖面，該剖面包括二頂側面和二底側面，該等頂面和底面被第一和第二凸部所分離，該等凸部相對於該等頂面和底面突出；和其中該激發裝置包括第一對激發電極和第二對激發電極；該第一對激發電極分別設置在該激發腳的頂部和底部，且未覆蓋該等頂側面和底側面；該第二對電極中的每一電極，設置在該激發腳的一凸部或另一凸部的厚度上，且至少局部覆蓋該頂側面和底側面，該等側面設在第一凸部之任一側上，該頂側面和底側面分別設在第二凸部的任一側上。
4. 如申請專利範圍第1項所述用以量測角速度的轉換器，其中該偵測腳的交叉形剖面具有連接二頂側面的一頂面、和連接二底側面的一底面；其中每一頂面和底面具有至少一槽，該等槽具有側腹； 其中該第一對偵測電極中至少一電極是設置在該頂面的該至少一槽的其中一側腹上，使得在該兩電極之間的電場實質地直線穿過該偵測腳；和其中該第二對偵測電極中至少一電極是設置在該底面的該至少一槽的其中一側腹上，使得在該兩電極之間的電場實質地直線穿過該偵測腳。
5. 如申請專利範圍第4項所述用以量測角速度的轉換器，其中該每一該頂面和底面包括單一槽；其中該偵測裝置更包括設置成彼此相面對的第三對偵測電極，該第三對電極其中之一是設置在該頂面的該槽的另一側腹上，該第三對電極中的另一電極是設置在該頂側面上，使得在該兩電極之間的電場實質地直線穿過該偵測腳；和其中該偵測裝置更包括設置成彼此相面對的第四對偵測電極，該第四對電極其中之一是設置在該槽的另一側腹上，該第四對電極中的另一電極是設置在該底側面上，使得在該兩電極之間的電場實質地直線穿過該偵測腳。
6. 如申請專利範圍第4項所述用以量測角速度的轉換器，其中該每一該頂面和底面包括二個槽；其中該偵測裝置更包括設置成彼此相面對的第三對電極，該第三對電極其中之一是設置在該頂面的該等槽中另一槽的一側腹上，該第三對電極中的另一電極是設置在該頂側面上，使得在該兩電極之間的電場實質地直線穿過該偵測腳；和 其中該偵測裝置更包括設置成彼此相面對的第四對偵測電極，該第四對電極其中之一是設置在該底面之兩個槽中另一槽的一側腹上，該第四對電極中的另一電極是設置在該底側面上，使得在該兩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，其中該壓電音叉為石英，其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。