TWI740132B

TWI740132B - 門檻式陀螺儀

Info

Publication number: TWI740132B
Application number: TW108113849A
Authority: TW
Inventors: 王東安
Original assignee: 國立中興大學
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2021-09-21
Also published as: TW202040101A

Abstract

一種門檻式陀螺儀，包含一底座、一載體單元、一線性震盪單元，及一撓性單元。該載體單元包括一框架，及連接該底座且支撐該框架的至少二懸樑。該線性震盪單元用於驅動該框架沿一第二軸線方向震盪。該撓性單元包括一作用件，及連接該作用件與該框架的至少二撓性元件。該作用件沿一第三軸線方向相對該框架在一第一穩態位置與該一第二穩態位置間移動。當該底座以一第三軸線為中心轉動時，該作用件會因為科氏力的作用沿該第三軸線位移，且在科氏力大於能夠撓曲該等撓性元件的一臨界值時，使該作用件由該第一穩態位置位移並穩定於該第二穩態位置。藉此，以該作用件的穩態位置變化，做為判斷的機制，不但能夠簡化運算，且能夠提升判讀速度及準確性。

Description

門檻式陀螺儀

本發明是有關於一種陀螺儀，特別是指一種門檻式陀螺儀。

MEMS感測器(Micro-electromechanical Systems，MEMS)是消費性電子產品、汽車和醫療設備不可或缺的關鍵元件。近幾年以來，MEMS加速度計、MEMS陀螺儀(micro gyroscope)、磁感測器(Magnetism Sensor)的蓬勃發展，更是實現了居家照護、安全監控等功能。

以中國專利公開號第106228751號專利案所揭露之一種習知的跌倒智能報警系統為例，主要是以三軸加速度傳感器采集手機的三軸加速度數據、以磁傳感器采集手機所在位置的地磁場強度數據，及以陀螺儀采集手機的三軸角速率數據。藉此，計算出手機的姿態、旋轉矩陣，而判斷手機的持有者是否跌倒。

惟，前述判斷是否跌倒所採集的角速率數據，需要通過複雜的演算法，才能針對持有者各種可能的模式、姿態，做出正確的判斷，在反應速度及準確率方面仍然有可以提升的空間。

因此，本發明的目的，即在提供一種能夠提升判讀速度及準確性的門檻式陀螺儀。

於是，本發明門檻式陀螺儀，包含一底座、一載體單元、一線性震盪單元，及一撓性單元。

該載體單元包括環繞一第一軸線的一框架，及至少二懸樑，該框架具有一相對面，每一懸樑具有固定在該底座的一固接端點，及連接該框架且支撐該框架遠離該底座的一連接端點。

該線性震盪單元用於驅動該框架沿一第二軸線方向震盪，該第二軸線垂直於該第一軸線。

該撓性單元包括沿該第二軸線方向延伸的至少二撓性元件，及一作用件，每一撓性元件具有連接該框架的一固定端，及反向於該固定端且連接於該作用件的一撓動部，該作用件用於沿一第三軸線方向相對該框架的相對面在一第一穩態位置與該一第二穩態位置間移動，該第三軸線垂直於該第二軸線與該第一軸線，在該第一穩態位置時，該等撓性元件的撓動部反向於該相對面方向撓曲，且該作用件遠離該相對面，在該第二穩態位置時，該等撓性元件的撓動部朝該相對面方向撓曲，且該作用件鄰近該相對面。

本發明之功效在於：以該作用件的穩態位置變化，做為判斷的機制，不但能夠簡化運算，且能夠提升判讀速度及準確性。

1:底座

2:載體單元

21:框架

211:端部

212:相對面

22:錨件

23:懸樑

231:固接端點

232:連接端點

233:懸接端點

234:第一懸臂

235:第二懸臂

24:連接件

3:線性震盪單元

31:電磁閥

311:閥件

4:撓性單元

41:撓性元件

411:固定端

412:撓動部

42:作用件

5:電控單元

51:紅外線感測器

52:活動電極

53:固定電極

54:中控模組

Z:第一軸線

X:第二軸線

Y:第三軸線

M:感測訊號

F1:驅動力

F2:科氏力

F3:作用力

F4:電磁力

F_max:作用力最大值

Q1:點

Q2:點

P:點

S1:第一穩態位置

S2:第二穩態位置

W:警示訊息

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一張示意圖，說明本發明門檻式陀螺儀的一實施例，且該實施例中一作用件位於一第一穩態位置；圖2是一張不完整的立體圖，說明該實施例中一底座、一載體單元、一線性震盪單元，及一撓性單元；圖3是一張俯視示意圖，說明該實施例中該作用件位於一第二穩態位置；圖4是一張力-位移量曲線圖，說明該實施例中數懸樑受力後，力與位移量的變化；圖5是一張力-位移量曲線圖，說明該實施例中該作用件受力後，力與位移量的變化；圖6是一張力-位移量曲線圖，說明該實施例中數撓性元件的數撓動部由0mm位移至7mm時，力與位移量的變化；及圖7是一張力-位移量曲線圖，說明該實施例中該等撓性元件的該等撓動部由7mm位移至0mm時，力與位移量的變化。

參閱圖1與圖2，本發明門檻式陀螺儀的一實施例，包含一底座1、一載體單元2、一線性震盪單元3、一撓性單元4，及一電控單元5。

應當注意的是，以下有關方向的敘述，是以相互垂直的一第一軸線Z、一第二軸線X及一第三軸線Y為基準。

該載體單元2包括環繞該第一軸線Z的一框架21，及沿該第三軸線Y方向配置在該框架21兩側的二錨件22、四懸樑23與二連接件24。

在本實施例中，該框架21呈矩形，並具有形成在四個邊角的四個端部211，及形成在一內表面的一相對面212。

該等錨件22固定在底座1且沿該第三軸線Y方向相隔一間距，而位於該框架21的兩側。

該等懸樑23呈V形，而具有撓性，且二個二個為一組，沿該第三軸線Y方向配置在該框架21的兩側。每一懸樑23具有固定在該對應之錨件22的一固接端點231、連接該框架21各別之端部211且支撐該框架21遠離該底座1的一連接端點232、位於該固接端點231與該連接端點232間且遠離該底座1的一懸接端點233，連接該固接端點231與該懸接端點233的一第一懸臂234，及連接該懸接端點233與該連接端點232且與該第一懸臂234呈一夾角的一第二懸臂235。該第一懸臂234與該第二懸臂235的長度比為1：2，該第二懸臂235以該懸接點端233為支點，沿該第二軸線X方向相對該第一懸臂234擺動，該夾角介於20~60度。

每一連接件24連接相鄰二個懸樑23的懸接端點233，使該等懸樑23通過該連接件24與該框架21形成連動。

該線性震盪單元3用於驅動該框架21沿該第二軸線X方向震盪。在本實施例中，該線性震盪單元3包括固定在該底座1且沿該第二軸線方向X相隔一間距，而位於該框架1兩側的二電磁閥31。每一電磁閥31具有沿該第二軸線X方向移動且連接於該框架21的一閥件311。

該撓性單元4包括沿該第二軸線X方向延伸的四撓性元件41，及一作用件42。

該等撓性元件41二個二個為一組，沿該第三軸線Y方向併列，且每一撓性元件41具有連接該框架21的一固定端411，及反向於該固定端411且連接於該作用件42的一撓動部412。

該作用件42用於沿該第三軸線Y方向相對該框架21的相對面212在一第一穩態位置(如圖1)與該一第二穩態位置(如圖3)間移動，在該第一穩態位置時，該等撓性元件41的撓動部412反向於該相對面212方向撓曲，且該作用件42遠離該相對面212，在該第二穩態位置時，該等撓性元件41的撓動部412朝該相對面212方向撓曲，且該作用件42鄰近該相對面212。

在本實施例中，該電控單元5包括一紅外線感測器(infrared sensor)51、一活動電極52、一固定電極53，及一中控模組54。

該紅外線感測器51安裝在該框架21的相對面212，當該作用件42位於該第二穩態位置時，該紅外線感測器51會偵測到該作用件42而輸出一感測訊號M。

該活動電極52形成在該作用件42朝向該相對面212的一側。

該固定電極53形成在該框架21的相對面212，且與該活動電極52沿該第三軸線Y方向相隔一間距，當該固定電極53導通電流後，會因為與該活動電極52產生電磁效應，驅動該作用作42由該第二穩態位置位移至該第一穩態位置。

該中控模組54電連接該等電磁閥31、該紅外線感測器51與該固定電極53，且接收該感測訊號M1，及根據該感測訊號M輸出一警示訊息W。

值得說明的是，本發明的門檻式陀螺儀可以是一種微機電陀螺儀(micro gyroscope)，而通過半導體製程技術與精密機械技術，來製造微小化的載體單元2與撓性單元4及功能整合的微系統，由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

參閱圖1、圖3，當該中控模組54控制該等電磁閥31啟動，該等電磁閥31的該等閥件311就會沿該第一軸線X方向對該框架21施加一驅動力F1(如圖3實線箭頭所示)，使該框架21因為前述驅動力F1沿該第二軸線X方向震盪位移，且在震盪位移過程中，通過該等懸樑23的撓性，使該等第二懸臂235以該等懸接端點223為支點，同步沿該第二軸線X方向相對該等第一懸臂234擺動，且保持該框架21在遠離該底座1的上方位置震盪，由圖4可清楚的看出，該等懸樑23之位移量的大小與該驅動力F1的大小成正比。

此時，若該底座1靜止不動，該作用件42受限於該等撓性元件41，只會隨該框架21沿該第二軸線X方向震盪位移，且該作用件42穩定於該第一穩態位置。

參閱圖2、圖3，當外部施加一個角速率，使該底座1以該第一軸線Z為中心轉動時，就會因為慣性而產生沿該第三軸線Y方向作用於該作用件42的一科氏力F2(如虛線箭頭所示)，且前述科氏力F2的大小與角速率的大小成正比。

參閱圖3、圖5與圖6，當科氏力F2隨著角速率增加而增加，該作用件42會因為前述科氏力F2作用，而產生克服該等撓性元件41之撓性的作用力F3，且沿該第三軸線Y方向位移，當該作用力F3到達最大值f_max，且該作用件42位移至點Q1後，該等撓性元件41的撓動部412會開始產生無法復原的變形，且在變形過程中，使該作用件42持續位移至點P的位置，此時，該作用件42不再受到科氏力F2作用，因此，作用力F3會歸0，但隨著該等撓動部412自身的慣性作用，該等撓動部412的仍然處於不穩定的變形狀態，因此，會產生使該作用件42持續位移的另一作用力F3，當位移量持續變大，至該作用件42位移至點P時，該等撓動部412會帶動該作用件42跳動至該第二穩態位置S2，此時，該等撓動部412變形完成，且該作用件42不再受到任何力的作用。

由圖6可以清楚的看出，在科氏力F2未到達最大值時，該等撓性元件41之撓動部412的位移量極小，位移量不到1mm，一直到該等撓動部412開始產生無法復原的變形後，也就是位移量接近5mm時，該等撓動部412所受到的合力為0。

當該紅外線感測器51感測到位於該第二穩態位置的作用件42時，就會輸出該感測訊號M給該中控模組54。藉此，該中控模組54就可以根據該感測訊號M，產生對應的動作，例如：當本發明安裝在防跌倒的消費性電子產品、或醫療設備時，該中控模組54可以根據接收的感測訊號M，判斷穿載者可能已發生跌倒的意外，並產生該警示訊息W，通知周遭或遠端的醫護人員、或家人。

當本發明安裝在汽車時，該中控模組54可以根據接收的感測訊號M，判斷汽車發生嚴重的碰撞，並產生該警示訊息W，通知遠端的警護人員、或家人。

參閱圖1、圖7，當該作用件42位移至該第二穩態位置後，該中控模組54只需控制電壓通過該固定電極53，使該固定電極53與該活動電極52間因為電磁效應，產生反向於如圖3之科氏力F2且用於驅動該等撓性元件41之撓動部412復原的靜電力F4，此時，由於0~5mm處都沒有力產生，代表由反向到達5mm時，不需要外力，該撓性元件41就可以帶動該作用件42由該第二穩態位置復歸至該第一穩態位置。

經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：由於該作用件42需要克服該等撓性元件41的撓性，才能由該第一穩態位置位移至該第二穩位置，因此，藉由前述門檻式的設計，使本發明以該作用件42的穩態位置變化，做為判斷的機制，不但能夠簡化運算，且能夠提升判讀速度及準確性。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。