TWI652448B - 轉速感測器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一種轉速感測器，其包含具有主延伸平面之基板及多個感震質量塊，其中，針對該等多個感震質量塊中的每個感震質量塊皆適用：該感震質量塊可相對驅動振動受到驅動，其中，該驅動振動係沿平行於該主延伸平面佈置的驅動方向發生，該感震質量塊可沿兩個不同的偏移方向進行偏移，其中，該二不同的偏移方向係垂直於該驅動方向佈置，其中，該轉速感測器適於根據所檢測的該等多個感震質量塊的多個偏移產生多個偵測信號，其中，該等多個感震質量塊的每個偏移方向皆分配有該等多個偵測信號中的一偵測信號，其中，該轉速感測器配置成可透過該等多個偵測信號中各二對應偵測信號之補償，以對該轉速感測器之相對該轉速感測器的至少一旋轉軸的線性加速度、旋轉加速度及離心加速度進行補償。此外還關於轉速感測器的操作方法。

Description

轉速感測器及其操作方法
本發明係以如申請專利範圍第1項之引文的轉速感測器為出發點。
此類轉速感測器係廣為人知。但習知之轉速感測器對外部干擾相對較為敏感，其中，會在轉速感測器中產生對轉速感測器之功能造成影響的干擾信號。此類干擾例如為轉速感測器之加速度。
因此，本發明之目的在於提供一種耐振動性經過改進的轉速感測器，從而即便在外部干擾之影響下亦確保該轉速感測器之可靠工作。
與先前技術相比，本發明之轉速感測器及本發明之如並列項之操作轉速感測器的方法的優點在於，提供一種耐振動性經過改進的轉速感測器，其中，即便在相對較強之外部干擾加速度(例如線性加速度及/或旋轉加速度)的影響下，該轉速感測器亦能借助某些頻譜分量及振動可靠運行。本發明之轉速感測器對此類干擾加速度相對不敏感，因為該轉速感測器能夠在測量期間對外部線性加速度及/或旋轉加速度進行補償，從而特別是改進測量精度。在此，以某種方式佈置或構建該轉速感測器之感震質量塊，及/或使其振動式錯移，以便將對外部干擾(在此特別是線性加速度 及/或旋轉加速度)之敏感度或靈敏度降至最低。該轉速感測器較佳為三軸轉速感測器，其中，該三軸轉速感測器適於對相對圍繞該第一、第二及第三旋轉軸之旋轉運動的各一轉速進行偵測。
每個感震質量塊較佳根據加速度沿其相應偏移方向中的一或兩個偏移，其中，該加速度具有科氏加速度、線性加速度、旋轉加速度、離心加速度及/或上述子加速度之和，其中，根據該偏移產生相應的偵測信號。特定言之，該科氏加速度在此為該轉速之尺度。該轉速偵測器較佳具有一偵測裝置，其中，透過該偵測裝置產生該等多個偵測信號，其中特定言之，每個感震質量塊的每個偏移方向皆分配有該偵測裝置之偵測元件。特定言之，為對該偏移進行偵測，該偵測裝置具有梳狀電極結構、板狀電極結構、壓電結構、壓阻結構、電磁結構、磁致伸縮結構及/或光學結構。特定言之，該分析裝置適於透過電子及/或數字信號處理來確定該第一、第二及/或第三轉速。
該轉速感測器之旋轉運動較佳由圍繞該第一旋轉軸之第一旋轉運動、圍繞該第二旋轉軸之第二旋轉運動及圍繞該第三旋轉軸之第三旋轉運動組成。此點相應適用於該旋轉加速度及該離心加速度，其中，各分量相應稱作第一、第二及第三旋轉加速度，或第一、第二及第三離心加速度。該等感震質量塊較佳可彼此獨立地相對相應之驅動振動受到驅動。
本發明之有利設計方案及改進方案參閱附屬項及結合附圖的說明。
根據一種較佳改進方案，該轉速感測器以某種方式配置，以便根據該等多個偵測信號，對該轉速感測器之相對該轉速感測器的三個不 同的旋轉軸的線性加速度、旋轉加速度及離心加速度進行補償。
如此一來，即便在外部干擾對所有三個旋轉軸即靈敏軸皆造成影響的情形下，亦能確保該轉速感測器之可靠工作，其中，對相對每個旋轉軸的線性加速度、旋轉加速度及/或離心加速度進行補償。
根據另一較佳改進方案，該轉速感測器以某種方式配置，使得藉由對該等多個偵測信號之求和及/或求差來對該線性加速度、該旋轉加速度及該離心加速度進行補償。
藉此便能以高效且簡單之方式改進對外部干擾的補償，進而實現該轉速感測器之可靠工作。
根據另一較佳改進方案，該轉速感測器具有分析裝置，其中，該等多個感震質量塊以某種方式佈置並可相對該等驅動振動受到驅動，以便透過該分析裝置藉由該等對應偵測信號之補償，對相對該等三個旋轉軸中的每個的線性加速度、旋轉加速度及離心加速度進行補償。
藉此便能實現以下方案：該等多個感震質量塊以某種方式佈置，以便對相對圍繞該第一旋轉軸之第一旋轉運動、圍繞該第二旋轉軸之第二旋轉運動及圍繞該第三旋轉軸之第三旋轉運動的第一旋轉加速度進行補償，以及對沿該第一、第二或第三旋轉軸的第一、第二及第三線性加速度進行補償。如此便能以較高之測量精度對該等轉速進行偵測，其中，根據該等感震質量塊之佈置方案將該轉速感測器對外部干擾(如線性加速度及旋轉加速度)之敏感度降至最低。
根據另一較佳改進方案，該等多個感震質量塊以以下方式彈簧彈性相連以及與該基板連接：該等多個質量塊可以某種方式相對該等驅 動振動受到驅動，以便對相對該等三個旋轉軸的線性加速度、旋轉加速度及離心加速度進行補償。
如此一來，除該線性加速度及該旋轉加速度以外，亦能對該離心加速度進行平衡或補償，從而進一步改進該轉速感測器相對非期望干擾加速度的敏感度或靈敏度。較佳對該轉速感測器之沿該第一、第二及/或第三旋轉軸的線性加速度，以及對圍繞該第一、第二及第三旋轉軸之第一、第二及/或第三旋轉運動的旋轉加速度，以及對圍繞該第一、第二及第三旋轉軸之第一、第二及/或第三旋轉運動的離心加速度進行補償。
根據另一較佳改進方案，該等多個感震質量塊包括至少四個感震質量塊，其中，該等至少四個感震質量塊大體沿平行於該基板之主延伸平面佈置的驅動平面延伸，其中，該等分配給至少四個感震質量塊的驅動方向沿該驅動平面延伸，其中特定言之，該等至少四個感震質量塊為正好四個感震質量塊。
根據另一較佳改進方案，該等多個感震質量塊包括至少另四個感震質量塊，其中，該等至少另四個感震質量塊大體沿平行於該基板之主延伸平面佈置的另一驅動平面延伸，其中，該等分配給至少另四個感震質量塊的驅動方向沿該另一驅動平面延伸，其中特定言之，該等多個感震質量塊為正好八個感震質量塊。
如此便能透過應用八個感震質量塊提供一緊密的轉速感測器，其能對圍繞三個不同空間軸之轉速進行偵測，從而透過該等感震質量塊之佈置方案及其驅動方案的特殊方式，相對所有旋轉軸對所有干擾項(線性加速度、旋轉加速度及離心加速度)進行補償。如此便能提供經過改進 的，能夠極精確地對轉速進行偵測的轉速感測器。
根據另一較佳改進方案，該驅動平面及該另一驅動平面係沿與該基板之主延伸平面垂直的法向以相互交疊且相互間隔一定距離之方式佈置，或佈置於同一平面中。
如此便能藉由該等第一至第四感震質量塊與該等第五至第八感震質量塊之交疊佈置方案以簡單的方式減少該轉速感測器的空間需求。特定言之，在採用包含多個功能層或功能性層之製造工藝的情況下，沿與Z向平行的投影方向將各二感震質量塊以至少部分交疊或完全交疊的方式上下佈置。特定言之，該第一與該第五，該第二與該第七，該第三與該第六，該第四與該第八感震質量塊以給定的方式交疊。尤佳透過該等感震質量塊之對稱佈置方案在空間需求及相對外部干擾之不敏感性方面進一步改進該轉速感測器。
本發明之實施例參閱附圖及下文之進一步描述。
1‧‧‧轉速感測器
10‧‧‧感震質量塊
11‧‧‧驅動方向
12‧‧‧偏移方向
12'‧‧‧偏移方向
20‧‧‧感震質量塊
22‧‧‧偏移方向
22'‧‧‧偏移方向
21‧‧‧驅動方向
30‧‧‧感震質量塊
31‧‧‧驅動方向
32‧‧‧偏移方向
40‧‧‧感震質量塊
41‧‧‧驅動方向
42‧‧‧偏移方向
50‧‧‧感震質量塊
51‧‧‧驅動方向
52‧‧‧偏移方向
52'‧‧‧偏移方向
60‧‧‧感震質量塊
61‧‧‧驅動方向
62‧‧‧偏移方向
62'‧‧‧偏移方向
70‧‧‧感震質量塊
71‧‧‧驅動方向
72‧‧‧偏移方向
80‧‧‧感震質量塊
81‧‧‧驅動方向
82‧‧‧偏移方向
82'‧‧‧偏移方向
90‧‧‧分析裝置
90'‧‧‧轉速信號
100‧‧‧主延伸平面
101‧‧‧X向
101'‧‧‧第一旋轉軸
102‧‧‧Y向
102'‧‧‧第二旋轉軸
103‧‧‧Z向，法向
103'‧‧‧第三旋轉軸
112‧‧‧偵測信號
112'‧‧‧偵測信號
182‧‧‧偵測信號
182'‧‧‧偵測信號
200‧‧‧慣性系統
201‧‧‧參考系統
202‧‧‧感震質量塊之系統
圖1為參考模型之示意圖，圖2至7為根據本發明的一種實施方式的轉速感測器之俯視圖；圖8至13為根據本發明的一種實施方式的轉速感測器之分解圖；圖14至19為根據本發明的一種實施方式的轉速感測器之俯視圖；及圖20為根據本發明的一種實施方式的轉速感測器之示意圖。
不同附圖中的相同部件總是用同一元件符號表示，故通常僅 命名或列出一次。
圖1為參考模型之示意圖。該圖示出了感震質量塊之系統(元件符號202)中之感震質量塊在一參考系統(元件符號201)中之相對運動的基本狀態，需要對該參考系統之相對慣性系統200的運動進行測量。所示出的係採用主體固定系統202(座標x2、y2、z2)之感震質量塊在參考系統201(座標x1、y1、z1)中之相對運動，該參考系統又在慣性系統200(座標x0、y0、z0)中進行任意運動。
該感震質量塊之加速度由科氏加速度、線性加速度、旋轉加速度及離心加速度組成。已確定的是，與該離心加速度分量相比，該線性加速度分量及該旋轉加速度分量係相應測量信號之主導性影響因素。因此，本發明中以最高優先權對該線性加速度分量及該旋轉加速度分量進行補償。
圖2至9為根據本發明之若干不同實施方式的轉速感測器1的俯視圖。所示出的所有轉速感測器1皆具有多個與該基板連接之感震質量塊10、20、30、40、50、60、70、80，該等感震質量塊特別是藉由柔性彈簧結構彈簧彈性相連及與該基板連接。特定言之，該等感震質量塊10、20、30、40、50、60、70、80適於實現驅動振動(驅動運動)及/或偏移運動(亦稱作偵測運動)。所有驅動振動皆較佳為週期性，尤佳為正弦驅動振動。
圖2所示轉速感測器1之實施方式具有八個感震質量塊10、20、30、40、50、60、70、80，該等感震質量塊以以下方式佈置並相對相應之驅動振動受到驅動：以某種方式對線性加速度沿X向101、Y向102及Z向103的各一分量進行補償，以便對離心加速度相對轉速感測器1圍繞第一 旋轉軸101'之旋轉運動、圍繞第二旋轉軸102'之旋轉運動及圍繞第三旋轉軸103'之旋轉運動的各一分量進行補償，以及對旋轉加速度相對該第二旋轉運動及該第三旋轉運動的各一分量進行補償。
在此以圖2所示實施方式為例，就針對非期望加速度之補償的原理進行說明，其中，該原理類似地適用於其他實施方式之相應感震質量塊及相應偏移方向12、12'、……82、82'。舉例而言，在此沿第一及第二驅動方向11、12(在此係平行於Y向102)以反相方式對第一及第二感震質量塊進行驅動，以及，(根據圍繞第三旋轉軸103'之第三轉速)以反相方式沿第一及第二偏移方向12、22(在此係平行於X向101)進行偏移，從而對該線性加速度之第一分量即X分量進行補償。例如藉由對分配給第一偏移方向12之第一偵測信號112及分配給第二偏移方向22之第二偵測信號的差來實施補償。透過圖2所示佈置方案(左側)不會對該旋轉加速度之相對圍繞該第三旋轉軸的第三旋轉運動的第三分量進行補償，因為第一、第二、第三、第四感震質量塊沿與主延伸平面100平行的環圍繞第三旋轉軸103'同向地沿第一、第二、第三及第四偏移方向12、22、32、42偏移。相應亦適用於第五、第六、第七及第八感震質量塊50、60、70、80。另一方面，可透過圖2所示佈置方案(中間)對該旋轉加速度之相對圍繞第一及第二旋轉軸101'、102'的第一及第二旋轉運動有關的第一及第二分量進行補償。舉例而言，該另一第一、另一第二、另一第五、另一第六偏移方向12'、22'、52'、62'可以大體垂直於該旋轉加速度之相應方向的方式朝對應感震質量塊定向，從而實現針對與圍繞第一旋轉軸101'之第一旋轉運動有關的旋轉加速度的不敏感性。此點相應地亦適用於該離心加速度。
圖3所示實施方式與圖2所示實施方式大體對應，其中，轉速感測器1在此具有八個感震質量塊10、20、30、40、50、60、70、80，該等感震質量塊以某種方式佈置並相對相應之驅動振動受到驅動，以便對該線性加速度沿X向101、Y向102及Z向103的各一線性加速度分量進行補償，對該離心加速度相對該第一旋轉運動、該第二旋轉運動及該第三旋轉運動的第一、第二、第三分量進行補償，以及，僅對該旋轉加速度相對該第三旋轉運動的第三分量進行補償。
圖4所示實施方式與上述實施方式大體對應，其中，轉速感測器1在此具有八個感震質量塊10、20、30、40、50、60、70、80，該等感震質量塊以某種方式佈置並相對相應之驅動振動受到驅動，以便對該線性加速度之所有三個分量、該離心加速度之所有三個分量及該旋轉加速度之所有三個分量皆進行補償。
圖5所示實施方式與上述實施方式大體對應，其中，轉速感測器1在此具有八個感震質量塊10、20、30、40、50、60、70、80，該等感震質量塊以某種方式佈置並相對相應之驅動振動受到驅動，以便對該線性加速度之所有三個分量，僅對該旋轉加速度相對圍繞第三旋轉軸103'之第三旋轉運動的第三分量，以及僅對該離心加速度相對圍繞第一及第二旋轉軸101'、102'之第一及第二旋轉運動的第一及第二分量進行補償。
圖6所示實施方式與上述實施方式大體對應，其中，轉速感測器1在此具有八個感震質量塊10、20、30、40、50、60、70、80，該等感震質量塊以某種方式佈置並相對相應之驅動振動受到驅動，以便對該線性加速度之所有三個分量，僅對該旋轉加速度相對圍繞第三旋轉軸103'之第三 旋轉運動的第三分量，以及對該離心加速度之所有三個分量進行補償。
圖7所示實施方式與上述實施方式大體對應，其中，轉速感測器1在此具有八個感震質量塊10、20、30、40、50、60、70、80，該等感震質量塊以某種方式佈置並相對相應之驅動振動受到驅動，以便對該線性加速度之所有三個分量、該離心加速度之所有三個分量及該旋轉加速度之所有三個分量皆進行補償。
圖8至13為根據本發明的一種實施方式的轉速感測器之分解圖。在此，先前圖2中所示的第一、第二、第三及第四驅動方向12、22、32、42皆沿與主延伸平面100大體平行之第一平面延伸，且圖2中所示的第五、第六、第七及第八驅動方向52、62、72、82沿與主延伸平面100大體平行之第二平面延伸，其中，該第一及第二平面沿Z向103相互間隔一定距離。
圖8至13所示實施方式與圖2至7所示實施方式大體相同，其中，該等實施方式之區別在於，在圖8至13所示實施方式中，第一之第四感震質量塊10、20、30、40以某種方式佈置於該第一平面中，且第五至第八感震質量塊50、60、70、80以某種方式佈置於該第二平面中，從而總是大體對該線性加速度之所有三個分量、該離心加速度之所有三個分量及該旋轉加速度之所有三個分量進行補償。例如在圖8所示實施方式(見左側)中，第一與第五感震質量塊10、50，第二與第六感震質量塊20、60，第三與第七感震質量塊30、70，第四與第八感震質量塊40、80分別沿與Z向103平行之投影方向以完全疊合的方式佈置。藉此便能透過此種佈置方案(例如不同於圖2所示實施方式)亦對相對圍繞旋轉軸103'之第三旋轉運 動的旋轉加速度進行補償。
圖14至19為根據本發明的一種實施方式的轉速感測器1之俯視圖。在此示出之實施方式與上述實施方式大體對應，其中，該轉速感測器在此具有四個感震質量塊10、20、30、40。由此一來，不會對該線性加速度、該旋轉加速度及該離心加速度之所有三個分量皆進行補償。舉例而言，圖18所示感測器1具有四個感震質量塊10、20、30、40，該等感震質量塊以某種方式佈置並相對相應之驅動振動受到驅動：對該線性加速度之所有三個分量，僅對該旋轉加速度相對圍繞第三旋轉軸103'之第三旋轉運動的第三分量，以及僅對該離心加速度相對圍繞第三旋轉軸103'之第三旋轉運動的第三分量進行補償。
圖20為根據本發明的一種實施方式的轉速感測器1之示意圖。轉速感測器1在此具有八個感震質量塊10、……、80，並適於根據轉速感測器1之加速度產生多個(在此為16個)偵測信號112、112'、……182、182'。該等多個偵測信號112、112'、……182、182'中的每一個分別被分配給該第一、另一第一、第二、另一第二、第三、另一第三、第四、另一第四、第五、另一第五、第六、另一第六、第七、另一第七、第八或另一第八偏移方向12、12'、……、82、82'，其中，分析裝置90適於確定該第一、第二及第三轉速，從而根據該等多個偵測信號112、112'、……、182、182'中的至少兩個對應偵測信號的補償對該線性加速度之所有三個分量、該旋轉加速度之所有三個分量及該離心加速度之所有三個分量進行補償。特定言之，藉由所產生之第一、第二及/或第三轉速信號90'將所確定的第一、第二及/或第三轉速傳輸至轉速感測器1之信號輸出端。

Claims (9)

  1. 一種轉速感測器(1)，包含具有主延伸平面(100)之基板及多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)，其中，針對該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)中的每個感震質量塊皆適用以下所述的情形：該感震質量塊可相對驅動振動受到驅動，其中，該驅動振動係沿平行於該主延伸平面(100)佈置的驅動方向(11)發生，該感震質量塊可沿兩個不同的偏移方向(12,12')進行偏移，其中，該二不同的偏移方向(12,12')係垂直於該驅動方向(11)佈置，其中，該轉速感測器(1)適於根據所偵測的該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)的多個偏移產生多個偵測信號(112，112'，……，182，182')，其中，該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)的每個偏移方向(12,12')皆分配有該等多個偵測信號(112，112'，……，182，182')中的一偵測信號(112,112')，其特徵在於，該轉速感測器(1)配置成可透過該等多個偵測信號(112，112'，……，182，182')中各二對應偵測信號之補償，對該轉速感測器(1)之相對該轉速感測器(1)的至少一旋轉軸(101'，102'，103')的線性加速度、旋轉加速度及離心加速度進行補償。
  2. 如申請專利範圍第1項之轉速感測器(1)，其中，該轉速感測器(1)配置成可根據該等多個偵測信號(112，112'，……，182，182')，對該轉速感測器(1)之相對該轉速感測器(1)的三個不同旋轉軸(101'，102'，103')的線性加速度、旋轉加速度及離心加速度進行補償。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之轉速感測器(1)，其中，該轉速感測器(1)配置成可藉由該等多個偵測信號(112，112'，……，182，182')之求和及/或求差對該線性加速度、該旋轉加速度及該離心加速度進行補償。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之轉速感測器(1)，其中，該轉速感測器(1)具有分析裝置(90)，其中，該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)可相對該等驅動振動受到驅動，且配置成可透過該分析裝置(90)藉由該等相應偵測信號(112，112'，……，182，182')之補償，對相對該等三個旋轉軸(101'，102'，103')中的每個的線性加速度、旋轉加速度及離心加速度進行補償。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之轉速感測器(1)，其中，該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)以彈簧彈性相連及與該基板連接的方式，使得該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)可以某種方式相對該等驅動振動受到驅動，以便對相對該等三個旋轉軸(101'，102'，103')的旋轉加速度及離心加速度進行補償。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之轉速感測器(1)，其中，該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)包括至少四個感震質量塊(10，20，30，40)，其中，該等至少四個感震質量塊(10，20，30，40)大體沿平行於該基板之主延伸平面(100)佈置的驅動平面延伸，其中，該等分配給該等至少四個感震質量塊(10，20，30，40)之驅動方向(11，21，31，41)沿該驅動平面延伸，其中特定言之，該等至少四個感震質量塊(10，20，30，40)為正好四個感震質量塊(10，20，30，40)。
  7. 如申請專利範圍第6項之轉速感測器(1)，其中，該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)包括至少另四個感震質量塊(50，60，70，80)，其中，該等至少另四個感震質量塊(50，60，70，80)大體沿平行於該基板之主延伸平面(100)佈置的另一驅動平面延伸，其中，分配給該等至少另四個感震質量塊(50，60，70，80)之驅動方向(51，61，71，81)沿該另一驅動平面延伸，其中特定言之，該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)為正好八個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)。
  8. 如申請專利範圍第7項之轉速感測器(1)，其中，該驅動平面與該另一驅動平面沿與該基板之主延伸平面(100)垂直的法向(103)以相互交疊且相互間隔一定距離之方式佈置，或佈置於同一平面中。
  9. 一種操作如前述申請專利範圍第1~第8項中任一項之轉速感測器(1)的方法，其特徵在於，在該轉速感測器(1)之第一操作步驟中，為該轉速感測器(1)施加圍繞該轉速感測器(1)之第一旋轉軸(101')的第一轉速、圍繞該轉速感測器(1)之第二旋轉軸(102')的第二轉速及/或圍繞該轉速感測器(1)之第三旋轉軸(103')的第三轉速，為該轉速感測器(1)施加線性加速度、旋轉加速度及離心加速度，在第二操作步驟中，相對該等驅動振動沿該等經分配的驅動方向(11，21，31，41，51，61，71，81)對該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)進行驅動，在第三操作步驟中，根據該第一、第二及/或第三轉速使該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)偏移，在第四操作步驟中，根據該等多個感震質量塊(10，20，30，40，50，60，70，80)之偏移產生該等多個偵測信號(112，112'，……，182，182')，在第五操作步驟中，藉由該轉速感測器(1)確定該第一、第二及/或第三轉速，其中，透過該等多個偵測信號(112，112'，……，182，182')中各二對應偵測信號之補償對該線性加速度、該旋轉加速度及該離心加速度進行補償。
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