專利名稱：雙軸振動(dòng)速度陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)速傳感器領(lǐng)域，該轉(zhuǎn)速傳感器包括振動(dòng)諧振器。本申請要求于2004年3月12日提出的、題為“雙軸振動(dòng)速度陀螺儀”的臨時(shí)申請No.60/552,652的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
也被稱為“振動(dòng)速度陀螺儀”的具有振動(dòng)諧振器的轉(zhuǎn)速傳感器通過檢測由振動(dòng)元件響應(yīng)于傳感器的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力直接測量轉(zhuǎn)速。已經(jīng)開發(fā)了用在振動(dòng)速度陀螺儀中的振動(dòng)元件的各種結(jié)構(gòu)，包括懸持音叉結(jié)構(gòu)件，振動(dòng)梁和振動(dòng)環(huán)。這些元件在諧振條件下受到驅(qū)動(dòng)，并且測量所述元件響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，從而確定所述元件上的力和傳感器的旋轉(zhuǎn)。
一個(gè)示例性的具有音叉元件的振動(dòng)速度陀螺儀被公開在于1997年12月16日授予Steven P.Hotelling和Brian R.Land的、題為“振動(dòng)速度陀螺儀及其組裝和操作方法”的美國專利No.5698784中。Hotelling-Land陀螺儀使用兩個(gè)振動(dòng)元件，一個(gè)振動(dòng)元件檢測圍繞兩個(gè)不同旋轉(zhuǎn)軸的一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。但是，這種設(shè)計(jì)不僅需要使用兩個(gè)音叉，而且兩個(gè)音叉必須以不同的頻率運(yùn)作從而將單元之間的串?dāng)_最小化。從復(fù)雜性和緊湊性的角度考慮，所希望的是具有一種僅需要一個(gè)振動(dòng)元件能夠檢測圍繞兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)的陀螺儀。
振動(dòng)速度陀螺儀的一個(gè)困難來自于這樣一種事實(shí)，從動(dòng)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)與源自旋轉(zhuǎn)的力和運(yùn)動(dòng)相比要大得多。機(jī)械轉(zhuǎn)換器的少量錯(cuò)位可以導(dǎo)致大的被驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致在其它軸上被檢測到的小信號中的誤差。這些誤差通常通過調(diào)節(jié)傳感器和/或通過從振動(dòng)元件上去除材料被機(jī)械地修正。但是，這種機(jī)械去除和調(diào)整是耗時(shí)和昂貴的。所希望的是提供電子的自動(dòng)誤差校正，并且進(jìn)一步提供在操作條件下可在寬的變化范圍上進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ｕ?br> 還希望提供一種旋轉(zhuǎn)速度傳感器，其較小、制造成本低，適于較寬范圍的應(yīng)用，并且易于與微電子裝置整合。這種適應(yīng)性優(yōu)選地包括調(diào)整傳感器帶寬的能力以及從多個(gè)傳感器提供均衡輸出的能力。本發(fā)明致力于提供這些優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括雙軸旋轉(zhuǎn)速度傳感器，該傳感器具有兩個(gè)圍繞恢復(fù)元件對稱設(shè)置的振動(dòng)質(zhì)量體，兩個(gè)振動(dòng)質(zhì)量體以諧振反相運(yùn)動(dòng)受到驅(qū)動(dòng)，其中兩個(gè)質(zhì)量體沿單個(gè)軸以相等但是相反的振幅振動(dòng)。所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)容納著在垂直于振動(dòng)軸線的平面中的質(zhì)量體運(yùn)動(dòng)，并且測量所述質(zhì)量體沿兩個(gè)軸線在這個(gè)垂直平面中的運(yùn)動(dòng)，從而直接響應(yīng)于傳感器圍繞兩個(gè)軸線的旋轉(zhuǎn)提供信號。


圖1是振動(dòng)組件100的分解視圖；圖2是梁元件150的俯視圖；圖3示出組裝好的振動(dòng)組件；圖4是示出反相運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)組件100的側(cè)視圖；圖5是透視圖，其示出響應(yīng)于繞X和/或Y軸旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)組件100的運(yùn)動(dòng)，所述運(yùn)動(dòng)被稱為“檢測模式”；圖6是側(cè)視圖，其示出處于“同相”模式中的振動(dòng)組件100的運(yùn)動(dòng)；圖7是安裝在安裝板700上的振動(dòng)組件100的透視圖；圖8是處于分解狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)側(cè)組件800的透視圖；圖9是處于分解狀態(tài)的檢測側(cè)組件900的透視圖；圖10是信號PCB 1010的分解視圖；圖11是懸持組件1110的分解視圖；圖12是最終組件1200的分解視圖；圖13是ASIC 1030的邏輯示意圖；圖14是組合與定標(biāo)DACs 1340和相鄰電路的詳細(xì)示意圖。
具體實(shí)施例方式
通過所給出的根據(jù)本發(fā)明原理的示例性旋轉(zhuǎn)速度傳感器，本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)勢將會通過以下說明而變得更加顯而易見。
圖1是振動(dòng)組件100的分解視圖，其包括圓柱形永磁體110和120，磁體保持件130和140，以及平面梁結(jié)構(gòu)件150。磁體110和120優(yōu)選地如圖所示對齊，具有在共同方向上定向的極，從而使得它們的磁場彼此加強(qiáng)。
圖2示出梁結(jié)構(gòu)件150的俯視圖。梁結(jié)構(gòu)件150具有軸向?qū)ΨQ的六邊形形狀，并且包括若干繞Z軸對稱折彎的纏繞蜿蜒梁。梁210-265如彈簧臂一樣運(yùn)作從而在振動(dòng)組件100中提供恢復(fù)力。梁端部上的觸點(diǎn)210c-235c提供兩個(gè)磁體保持件130和140的安裝位置。安裝點(diǎn)240m-265m提供用于固定到外部組件的位置。
參考圖1-3，三個(gè)蜿蜒梁210，215和220在觸點(diǎn)210c，215c和220c處連接到磁體保持件130。磁體保持件140以類似的方式連接到位于梁結(jié)構(gòu)件150相對側(cè)上的三個(gè)交叉的梁端部225c，230c和235c。這種安裝以及在磁體保持件130和140中的釋放，允許磁體保持件130和140相對于彼此在梁結(jié)構(gòu)件150的平面內(nèi)外自由地移動(dòng)。具體地，磁體保持件130和140可以沿Z軸沒有干涉地朝向彼此移動(dòng)一段對振動(dòng)組件100的運(yùn)作來說是足夠的距離。
磁體保持件130和140由非磁性材料形成，諸如某種不銹鋼，并且連接到梁結(jié)構(gòu)件150。磁體110和120固定在磁體保持件130和140內(nèi)部。剩余的6個(gè)蜿蜒梁在安裝點(diǎn)240m，245m，250m，255m，260m，265m處安裝于外部組件。
在操作中，磁體110和120沿如圖4所示的z軸以反相運(yùn)動(dòng)被驅(qū)動(dòng)。反相運(yùn)動(dòng)是沿Z軸的受迫諧振正弦運(yùn)動(dòng)，其中磁體110和120沿Z軸順序移動(dòng)分開，然后到一起。
通常，通過檢測在傳感器的旋轉(zhuǎn)參照框架中作用在以線性方向移動(dòng)的質(zhì)量體上的力，振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器測量傳感器的旋轉(zhuǎn)速度。該力通常被稱為“科里奧利力”，并且用以下公開表示F科里奧利＝-2m(ω×v)(公式1)其中m是移動(dòng)物體的質(zhì)量，v是移動(dòng)物體的速度向量，ω是系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)角速度。
當(dāng)振動(dòng)組件100圍繞x或y(或x-y平面中的任何軸)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在垂直于旋轉(zhuǎn)軸和振動(dòng)軸的方向上在磁體110和120上作用力，正如公式1所給出的那樣。這個(gè)力與旋轉(zhuǎn)的角速度ω成比例并且導(dǎo)致在x-y平面中的磁體110和120的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)受到檢測從而解出繞x和y軸的旋轉(zhuǎn)速度。更具體地，參考圖4中的坐標(biāo)系，受迫反相振動(dòng)的軸線是z軸。當(dāng)磁體110在所示的+z方向上移動(dòng)時(shí)，當(dāng)振動(dòng)組件100圍繞x或y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，力產(chǎn)生在移動(dòng)磁體110和120上。如果振動(dòng)組件100在圖4所示的方向“R”上繞x軸旋轉(zhuǎn)的話，角速度ω將會是沿+x軸的向量。這導(dǎo)致磁體110上的力在+y方向上(根據(jù)“右手定律”)，并且磁體110的移動(dòng)在+y方向上。當(dāng)磁體120在-z方向上移動(dòng)時(shí)(同時(shí))，類似的分析將磁體120上的力解出。當(dāng)振動(dòng)組件100在圖4所示的方向“R”上繞x軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁體120上的力處于-y方向，導(dǎo)致磁體120的運(yùn)動(dòng)在-y方向上。
正如圖5所示，振動(dòng)組件100繞y軸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致磁體110和120的運(yùn)動(dòng)平行于x軸并且這種運(yùn)動(dòng)的振幅受到檢測從而提供對繞y軸的旋轉(zhuǎn)速度的測量。具體地，磁體110和120被示出具有平行于或沿x軸的運(yùn)動(dòng)分量，其對應(yīng)于繞y軸的傳感器的旋轉(zhuǎn)。由于在x-y平面中的運(yùn)動(dòng)受到檢測從而測量振動(dòng)組件100的轉(zhuǎn)速，所以磁體110和120在x-y平面中的運(yùn)動(dòng)被稱為“檢測運(yùn)動(dòng)”。
正如圖4中所示和上面討論的那樣，為了建立所需要的振動(dòng)組件100的諧振反相運(yùn)動(dòng)，磁體110沿z軸以1800Hz的反相模式的諧振頻率受到驅(qū)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)峰值到峰值的振幅大約是50微米，并且所述諧振的特征在于品質(zhì)因數(shù)“Q”大約是2000。較高的Q代表隨著時(shí)間系統(tǒng)僅損失小部分的能量，并且驅(qū)動(dòng)頻率與振動(dòng)組件的諧振的匹配允許以相對較小的力輸入驅(qū)動(dòng)反相運(yùn)動(dòng)。
磁體120響應(yīng)于磁體110運(yùn)動(dòng)獲得對稱的和應(yīng)運(yùn)動(dòng)。在x-y平面中的非從動(dòng)磁體120的運(yùn)動(dòng)受到監(jiān)測從而檢測振動(dòng)組件100繞x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)?；蛘撸ㄟ^使用適當(dāng)?shù)臅r(shí)序，可以驅(qū)動(dòng)并檢測相同的磁體或質(zhì)量體。但是，優(yōu)選實(shí)施例允許在驅(qū)動(dòng)和檢測功能的設(shè)置上有更多的設(shè)計(jì)。
再次參考圖2，梁結(jié)構(gòu)件150提供建立振動(dòng)結(jié)構(gòu)件100的希望諧振頻率的所需的恢復(fù)力。梁結(jié)構(gòu)件150也被設(shè)計(jì)成在x-y平面中提供徑向?qū)ΨQ，從而使得磁體110和120在x-y平面中響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)對稱地移動(dòng)。具體地，梁結(jié)構(gòu)件150是6交迭軸向?qū)ΨQ的。即，如果梁結(jié)構(gòu)件150被分成6個(gè)60度的部分，那么各個(gè)部分是相同的，并且它們旋轉(zhuǎn)時(shí)也保持相同。這種對稱設(shè)計(jì)將驅(qū)動(dòng)跡線的未對準(zhǔn)誤差，交軸誤差最小化，并且有利于磁體在x-y平面中的任何方向上的相等運(yùn)動(dòng)。
6個(gè)蜿蜒梁210，215，220，225，230和235在觸點(diǎn)210c，215c，220c，225c，230c和260c處連接到磁體/磁體保持件對。這些梁提供恢復(fù)力，該力建立大約1800Hz的反相模式諧振。在緊湊設(shè)計(jì)中，梁的蜿蜒形狀允許將諧振頻率降低到希望的1800Hz的所需的較長梁長度。
梁結(jié)構(gòu)件150還包括減少不希望的振動(dòng)模式的設(shè)計(jì)特征。更具體地，所述設(shè)計(jì)將圖6中所示振動(dòng)的同相模式最小化。在同相模式中，磁體110和120都在+z方向上移動(dòng)，隨后兩者都在-z方向上移動(dòng)。這種操作模式是不希望的，因?yàn)樵撃Ｊ皆诎惭b點(diǎn)240m-265m處耦合了在振動(dòng)組件100內(nèi)外的非平衡力。通過設(shè)計(jì)梁結(jié)構(gòu)件150從而使得同相模式的諧振頻率很好地與反相諧振分開將同相模式最小化。這是通過正確地選擇6個(gè)梁240-265的長度來實(shí)現(xiàn)的，這6個(gè)梁將梁結(jié)構(gòu)件150在安裝點(diǎn)240m-265m處連接到外部組件。這些梁最小化地涉及反相模式，但是涉及同相模式，類似于當(dāng)音叉臂同相移動(dòng)時(shí)涉及音叉上的把手的方式。加長這些梁6降低同相模式的諧振頻率，這減少了耦合在同相模式和驅(qū)動(dòng)頻率之間的能量，所述驅(qū)動(dòng)頻率被選擇成與所希望的反相模式一致。梁240-265的長度已經(jīng)被選擇成導(dǎo)致1400Hz的同相諧振頻率，該頻率遠(yuǎn)低于驅(qū)動(dòng)頻率。這種大于20％的差異足以使濾波器消除同相頻率。
梁結(jié)構(gòu)件150具有平面的、單元件設(shè)計(jì)，這使得其自身易于制造并且具有若干優(yōu)選的機(jī)械特性。所述平面梁彈性結(jié)構(gòu)可容易地通過化學(xué)蝕刻，或通過各種半導(dǎo)體或微加工制造技術(shù)，或通過蝕刻，精細(xì)沖切，壓制或放電加工制造。物理蒸氣沉積過程，諸如濺射，也可以被用于產(chǎn)生所希望的梁形狀。所希望的是，所述梁結(jié)構(gòu)件150的材料隨溫度保持恒定的彈性模量，從而使得振動(dòng)頻率在傳感器的操作溫度上適當(dāng)?shù)乇３趾愣?。所述材料?yōu)選地是均質(zhì)的，并且適于梁元件150的材料包括金屬諸如鎳鉻恒彈性鋼、不銹鋼，鈹青銅，彈簧鋼或其它適當(dāng)?shù)暮辖稹Ｌ鎿Q地，也可以使用石英或硅，并且可以通過傳統(tǒng)的光刻工藝成形。
可以開發(fā)其它機(jī)構(gòu)來為本發(fā)明的某些實(shí)施例提供恢復(fù)力，但是，平梁結(jié)構(gòu)，更具體地是具有各種長度的梁彈簧的蜿蜒梁結(jié)構(gòu)，為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供了獨(dú)特優(yōu)勢，例如，因梁結(jié)構(gòu)件150的低損失的均質(zhì)設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的非常高的Q。
再參考圖5，檢測運(yùn)動(dòng)響應(yīng)于由振動(dòng)組件100的旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的力矩。檢測運(yùn)動(dòng)是正弦運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)以反相運(yùn)動(dòng)的頻率受到驅(qū)動(dòng)，并且具有與旋轉(zhuǎn)速度和反相運(yùn)動(dòng)的振幅成比例的振幅。被稱為“檢測模式”的檢測運(yùn)動(dòng)的自然諧振頻率被選擇成接近反相模式的驅(qū)動(dòng)頻率。檢測模式的自然諧振頻率優(yōu)選地接近反相模式的驅(qū)動(dòng)頻率，在優(yōu)選實(shí)施例中大約是1700Hz。將檢測模式諧振選擇成接近從動(dòng)反相運(yùn)動(dòng)的頻率放大了檢測運(yùn)動(dòng)的數(shù)量，這是希望的，因?yàn)橐獧z測的運(yùn)動(dòng)量非常小。這一頻率非常接近反相運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)頻率，從而獲得大約10倍的顯著的物理諧振放大倍率。如果檢測模式諧振被選擇成更接近從動(dòng)反相運(yùn)動(dòng)頻率或與從動(dòng)反相運(yùn)動(dòng)頻率相一致的話，那么較高的放大倍率和靈敏性是可能的。但是，在本設(shè)計(jì)中，優(yōu)選的是將多個(gè)傳感器校準(zhǔn)成同樣地響應(yīng)于類似的輸入，因此選擇某一頻率，其中放大曲線的斜率足夠小，從而使得產(chǎn)品間的變化更易于得到補(bǔ)償。
梁結(jié)構(gòu)件150因此提供了所希望的反相模式的恢復(fù)力，并且允許在垂直于振動(dòng)軸的平面中的振動(dòng)，(被稱為“檢測運(yùn)動(dòng)”)，這種振動(dòng)受到檢測以指示所述組件的旋轉(zhuǎn)。另外，梁結(jié)構(gòu)件150為反相模式建立起高Q值的諧振(Q大約是2000)，并且建立起接近反相模式的被驅(qū)動(dòng)頻率的檢測模式諧振。
圖7示出安裝在外部金屬安裝板700的梁元件。梁結(jié)構(gòu)件150通過將6個(gè)蜿蜒梁240-265的安裝點(diǎn)240m-265m(見圖2)緊固到在安裝板700的升高的突起上從而連接到安裝板700。這些突起(未示出)在安裝板700中作為不完全的穿孔形成，并且保持梁結(jié)構(gòu)件150離開安裝板700大約0.23mm，從而使得所述梁結(jié)構(gòu)件150的所有梁自由地振動(dòng)。
圖8以分解視圖示出驅(qū)動(dòng)側(cè)組件800。驅(qū)動(dòng)側(cè)組件800將驅(qū)動(dòng)線圈810靠近磁體110和磁體保持件130定位(如前面圖1，3-7所示)，并且包括塑料驅(qū)動(dòng)模制件820，該模制件整合用于驅(qū)動(dòng)線圈810的定位特征。磁性可透過的板830連接到驅(qū)動(dòng)模制件820的后面從而幫助引導(dǎo)由磁體110產(chǎn)生的磁通線，并且改善驅(qū)動(dòng)線圈810和磁體110之間的耦合。板830還向系統(tǒng)提供另外的慣性以減少不希望的運(yùn)動(dòng)。銷840被連接到驅(qū)動(dòng)模制件820并且承載來自于驅(qū)動(dòng)側(cè)組件800和朝向驅(qū)動(dòng)側(cè)組件800的電信號。
圖9以分解視圖示出檢測側(cè)組件900。檢測側(cè)組件900在相對于驅(qū)動(dòng)側(cè)組件800的梁結(jié)構(gòu)件150的一側(cè)上靠近磁體120安裝。兩對檢測線圈910和915連接到檢測模制件920。兩對平的、橢圓形檢測線圈以90度間隔定向，并且當(dāng)完全組裝時(shí)被定位成很接近磁體130。線圈910和915中的每一個(gè)都安裝在x-y平面中，并且被用于檢測磁體120在x-y平面中的運(yùn)動(dòng)，其中一對檢測沿x軸的運(yùn)動(dòng)，另一對檢測沿y軸的運(yùn)動(dòng)。具體地，參考圖9中所示的x-y軸，檢測線圈910被定向成使得沿x軸的移動(dòng)磁體120逐漸在一個(gè)線圈中增加磁通量，而在另一中減少磁通量，信號對應(yīng)于磁體120的x位置。線圈的橢圓形狀使得它們對于x方向上的移動(dòng)更敏感。每個(gè)線圈對都相反極性連接(在相對方向上纏繞)，從而使得源自磁體120的從動(dòng)z軸運(yùn)動(dòng)的磁通量變化通常被抵消，但是沿x軸的運(yùn)動(dòng)會被增加。
圖10是信號印刷電路板(PCB)1010的分解視圖。連接到信號PCB1010的是電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)1020以及特定用途集成電路(ASIC)1030。電容性屏蔽板1040連接于信號PCB1010并且防止檢測線圈910和915之間以及信號PCB1010上各跡線和插腳之間的電容性耦合。電容性屏蔽板1040由導(dǎo)電且非磁性的材料形成，諸如磷青銅。AGC線圈1050連接到信號PCB1010的背側(cè)。正如以下更詳細(xì)描述的那樣，AGC線圈1050檢測沿z軸的從動(dòng)反相運(yùn)動(dòng)的振幅和精確相位，并且提供用于驅(qū)動(dòng)、誤差校正以及信號解調(diào)電路的反饋。線圈810，910，915和1050由圍繞芯軸纏繞諸如銅的絕緣導(dǎo)線制成，所述芯軸在以后將會被去除。線圈也可以通過在若干PCB層上形成螺旋跡線從而產(chǎn)生線圈結(jié)構(gòu)，或者通過在基底上沉積金屬薄膜然后用光刻方法蝕刻線圈而形成。本設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)勢在于其適用于扁平線圈，該線圈不貴并且易于制造?？蛇x地，為了驅(qū)動(dòng)和檢測所述振動(dòng)運(yùn)動(dòng)也可以使用其它類型的轉(zhuǎn)換器。
圖11是懸持組件1110的分解視圖。驅(qū)動(dòng)側(cè)組件800經(jīng)由舌片710連接到安裝板700。安裝板700還經(jīng)由舌片720進(jìn)一步連接到檢測側(cè)組件900。最終緊湊的整合組件將驅(qū)動(dòng)線圈810很靠近磁體110定位；而AGC線圈1050和檢測線圈910和915被定位成靠近磁體120。各種跨接銷被連接(釬焊接)到信號PCB1010中以建立起通過懸持組件1110的電通路。
圖12是最終組件1200的分解示圖?；M件1210包括塑料注射模制部件，基底模制件1220，其具有4個(gè)連接其上的插腳1225。導(dǎo)電金屬腹板1230連接到基底模制件1220。以硅橡膠模制的墊片1240被插入在基底模制件1220和腹板1230之間，如圖所示。四個(gè)螺旋彈簧1250連接到插腳1225。螺旋彈簧1250是由導(dǎo)電材料制成的，所述導(dǎo)電材料被纏繞成螺旋形狀。懸持組件1110被定位在4個(gè)螺旋彈簧1250上，并且通過釬焊、焊接、銅焊或機(jī)械緊固進(jìn)行連接。
螺旋彈簧1250執(zhí)行兩個(gè)功能。首先，四個(gè)導(dǎo)電彈簧被用于使電信號在信號PCB1010和基底模制件1220之間通過。另外，彈簧1250在懸持組件1110和基底模制件1220之間提供振動(dòng)隔離。這種隔離防止了不希望的振動(dòng)(線性加速、質(zhì)量不匹配的影響)被耦合到振動(dòng)組件100。最后，罐體1260隨后被連接到腹板1230以形成封閉的容器從而將傳感器與不希望的干涉源屏蔽開。
墊片1240形成抵靠著罐體的密封從而防止潮濕進(jìn)入組件。
現(xiàn)在參考圖13，ASIC1030執(zhí)行對于轉(zhuǎn)速傳感器的信號處理。EEPROM1020存儲由ASIC1030使用的各種校準(zhǔn)參數(shù)以及其它數(shù)據(jù)。圖13是ASIC1030的電子系統(tǒng)的邏輯示意圖。
最終組件1200中的線圈810，910，915和1050示出在轉(zhuǎn)換器部分1305中。通過向驅(qū)動(dòng)線圈810施加交流驅(qū)動(dòng)電流(DP-DM)，振動(dòng)組件100以其自然諧振頻率受到驅(qū)動(dòng)。這在振動(dòng)組件100中沿z軸產(chǎn)生正弦運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)由AGC線圈1050檢測到。AGC線圈1050產(chǎn)生正弦AGC信號(AGP-AGM)，該信號具有的振幅大小可沿z軸提供振動(dòng)組件100的所希望的物理振動(dòng)幅度。驅(qū)動(dòng)電流的頻率和相位被調(diào)整成與反相模式中的振動(dòng)組件100的頻率一致從而使從動(dòng)運(yùn)動(dòng)最大化。偏航運(yùn)動(dòng)(關(guān)于x軸)由檢測線圈910檢測，該檢測線圈910產(chǎn)生偏航信號(YWP-YWM)。類似地，俯仰運(yùn)動(dòng)(關(guān)于y軸)由檢測線圈915檢測，該檢測線圈產(chǎn)生俯仰信號(PWP-PWM)。
振動(dòng)振蕩器1310和AGC前置放大器的AGC前置放大部分以及偏航和俯仰前置放大器1320和1330利用芯片上的轉(zhuǎn)換電阻器將來自于線圈910，915和1050的低電平電壓信號轉(zhuǎn)換成差動(dòng)電流。這些前置放大器具有最小的相位延遲特性，這保留了由ASIC1030所使用的偏航、俯仰以及AGC信號之間的精確相位關(guān)系?？蛇x地，可以匹配相位特性。在任一種情況下，這些信號之間的相位關(guān)系被精確地保留下來。
差動(dòng)模擬AGC信號(AGP-AGM)被耦合到AGC前置放大器以及振動(dòng)振蕩器1310。振動(dòng)振蕩器1310以及AGC前置放大器的振動(dòng)振蕩部分通過使用從AGC線圈1030的AGC信號(AGP-AGM)來的相位和振幅反饋向驅(qū)動(dòng)線圈810施加驅(qū)動(dòng)電流(DP-DM)，以其諧振頻率驅(qū)動(dòng)振動(dòng)組件100。AGC信號(AGP-AGM)在每半個(gè)循環(huán)上積分并且所述結(jié)果與來自于溫度補(bǔ)償帶間隙參照(BG)的電壓參照進(jìn)行比較，并且所述差異被用于在DP和DM輸出處建立適當(dāng)大小的回轉(zhuǎn)限制驅(qū)動(dòng)信號。信號(DP-DM)具有大體方波的波形并且名義上與AGC信號同相。所述模擬差動(dòng)AGC信號(AGP-AGM)被放大并且作為信號(AG1P-AG1M)輸出到組合定標(biāo)DACs1340。響應(yīng)于AGC信號的零交越，相位參照信號ADPCOMP也被提供給ADC時(shí)鐘合成器以及計(jì)數(shù)器1325。
組合定標(biāo)DACs1340調(diào)節(jié)模擬偏航(YWP-YWM)和俯仰(PWP-PYM)檢測信號，以從前置放大器提供dc偏移去除，從而去除寄生積分誤差信號，并且去除交叉軸誤差以補(bǔ)償產(chǎn)品間的變化，從而使得被提交到ADC模塊的信號相對于產(chǎn)品間的變化被標(biāo)準(zhǔn)化。DC偏移以及寄生的積分誤差信號由相等和相反的模擬信號的模擬相加而被去除，相等和相反的模擬信號是使用存儲于串行接口和RAM1355中的數(shù)字寄存器中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)由可編程數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DACs)合成的。交軸誤差以相似的方式被補(bǔ)償，但是直接利用檢測通道信號作為參照。應(yīng)當(dāng)注意的是，與定標(biāo)DACs1340以及串行接口和RAM1355互連的COMCAL總線向定標(biāo)DACs1340提供到達(dá)串行接口和RAM1355的PINPH，POFST，PCAX，PSF，YINPH，YOFST，YCAX以及YSF寄存器的通路。這些寄存器的使用將在以下詳細(xì)討論。
圖14是組合定標(biāo)DACs1340和相連電路的詳細(xì)示意圖。偏航輸入信號是跨過偏航輸入腳YWP和YWM的差動(dòng)電壓。差動(dòng)模擬偏航信號(YWP-YWM)是一種組合信號，其包括所希望的偏航旋轉(zhuǎn)速度信號以及不希望的誤差信號。具體地Vyaw＝V(YWP)-V(YWM)(公式2)描述了希望和誤差成份的偏航信號的理論定義，為VyawNOM＝Inph Yaw*SIN(2π*Fvib*t)-Cross Yaw*RatePitch*COS(2π*Fvib*t)-(RateYaw+MROyaw)*YSF*COS(2π*Fvib*t)(公式3)這個(gè)公式中的SIN項(xiàng)是同相信號(相對于AGC信號)，其是不希望的誤差成份，來自于從動(dòng)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換器不對齊。InphYaw被定義為同相偏航信號的振幅。這個(gè)誤差是通過將由YINPH DAC 1410所提供的相等且相反的信號在相加器14110中加到檢測的偏航信號(YWP-YWM)中而被去除的。YINPH DAC 1410隨AGC信號(AGP-AGM)定標(biāo)其輸出，該輸出乘以YINPH校準(zhǔn)參數(shù)。通過在數(shù)字化前修正檢測信號，并且通過直接使用模擬AGC信號來保留振動(dòng)運(yùn)動(dòng)和檢測運(yùn)動(dòng)之間的相位關(guān)系，同相誤差成份被極大地減少了。
第一COS項(xiàng)是不希望的誤差信號，其來自于偏航和俯仰軸之間的耦合。CrossYaw被定義為這一交軸(俯仰)誤差信號的振幅。這一交軸誤差是通過將相等且相反的信號在相加器14110中加到檢測的偏航信號(YWP-YWM)中而得以補(bǔ)償?shù)?。由YCAX DAC1430提供校正信號，YCAXDAC1430隨俯仰信號(PWP-PYM)定標(biāo)其輸出，并且乘以YCAX校準(zhǔn)參數(shù)。通過在數(shù)字化前修正檢測信號，并且通過直接使用模擬俯仰信號來保留誤差源和校正信號之間的相位關(guān)系，交軸誤差成份被極大地減少了。
第二個(gè)COS項(xiàng)包括希望的信號，其由偏航角速度調(diào)制。這個(gè)信號指示希望的振動(dòng)組件100的角偏航速度運(yùn)動(dòng)。但是，這項(xiàng)也包括來自于對齊誤差的不希望的機(jī)械速度偏移(MROyaw)。
組合定標(biāo)DACs1340的俯仰信號部分的操作類似于參照偏航信號電路的描述。DAC數(shù)字校準(zhǔn)寄存器中的數(shù)字式數(shù)值為DAC提供了定標(biāo)因子。在表格1中全面地提供了對每一補(bǔ)償誤差，補(bǔ)償信號源的進(jìn)一步描述，誤差起因，以及對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)信號定義的描述。



在誤差信號通過在相加器14110處的模擬相加被電去除之后，希望的偏航檢測信號在混合器14140處以余弦信號(與AGC信號差四分之一周期)被解調(diào)從而解調(diào)所希望的偏航信號并且進(jìn)一步去除剩余的不希望的正弦成份。混合器14140可以有選擇地以正弦信號或dc信號解調(diào)偏航檢測信號。這些模式被用于確定校準(zhǔn)數(shù)值，正如下面所述的那樣。
偏航模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)1350和俯仰ADC 1360執(zhí)行同時(shí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換相對于AGC信號是同步的。俯仰ADC1360以與偏航ADC1350一致的方式運(yùn)行，這是我們現(xiàn)在所描述的。正確的偏航信號被施加到混合器14140，在此處通過與余弦信號(與AGC信號差四分之一周期)混合被解調(diào)出正確的偏航信號。所述解調(diào)信號隨后被整流并且通過偏航ADC1350被轉(zhuǎn)換成數(shù)字電平。在優(yōu)選實(shí)施例中，偏航ADC1350利用Sigma Delta轉(zhuǎn)換器14150，該轉(zhuǎn)換器以響應(yīng)于來自ADC時(shí)鐘合成器和計(jì)數(shù)器1325的HSCLK信號以高速率在每個(gè)循環(huán)中多次采樣解調(diào)的偏航信號。每一1.8kHz循環(huán)，所述整流采樣以與來自于ADC時(shí)鐘合成器和計(jì)數(shù)器1325的CLK信號同步地通過積分器14160積分兩次。CLK信號直接來源于AGC信號從而與物理振蕩器保持精確的相位關(guān)系。這個(gè)同步解調(diào)和轉(zhuǎn)換通過去除特定的誤差信號進(jìn)一步改善了檢測信號的信噪比。
施加到Y(jié)INPH DAC 1410和PINPH DAC 1460的數(shù)字?jǐn)?shù)值是通過自動(dòng)校正循環(huán)得到，該循環(huán)執(zhí)行檢測通道的正弦解調(diào)并且調(diào)整定標(biāo)YINPH DAC1410和PINPH DAC 1460從而將同相信號中的數(shù)量在兩個(gè)檢測通道中的每一個(gè)中最小化。具體地，可選擇的同相修整模式選擇進(jìn)入到混合器14104的正弦輸入并且以正弦波解調(diào)正確的偏航信號。來自于偏航ADC1350的最終正弦解調(diào)數(shù)字信號建立YINPH參數(shù)的數(shù)值，這被加載于YINPH寄存器1420中并且用于定標(biāo)YINPH DAC 1410從而在正常操作過程中去除正弦誤差信號。PINPH自動(dòng)校正循環(huán)以類似的方式運(yùn)行。
YCAX DAC 1430和PCAX DAC 1480的數(shù)字式數(shù)值來源于工廠校準(zhǔn)步驟，其中完整的組件被旋轉(zhuǎn)并且測量在相關(guān)通道上的交軸量。這些數(shù)字?jǐn)?shù)值隨后被加載于EEPROM1020中以及ASIC 1030上的數(shù)字寄存器中。
YOFST和POFST是DC偏移誤差的校正信號。YOFST和POFST的數(shù)字?jǐn)?shù)值也是通過自動(dòng)校正循環(huán)確定的。來自相加器14110的輸出被施加到積分器14190，其同步于來自ADC時(shí)鐘合成器和計(jì)數(shù)器1320的CLK信號，從而在一組多個(gè)AGC信號循環(huán)上積分來自于相加器14110的輸出。積分?jǐn)?shù)值與參考值(標(biāo)稱為零)在比較器14200中進(jìn)行比較。所述結(jié)果被施加到計(jì)數(shù)器1450。這個(gè)計(jì)數(shù)調(diào)整存儲在YOFST DAC 1440中的YOFST數(shù)值，YOFSTDAC 1440定標(biāo)施加到相加器14110的DC信號以提供DC誤差校正。POFST循環(huán)以相同的方式運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，這些循環(huán)會調(diào)整YOFST和POFST的定標(biāo)，從而將檢測通道上的DC信號的數(shù)量最小化。
再參考圖13，ADC時(shí)鐘合成器和計(jì)數(shù)器1320接收來自AGC前置放大器和振動(dòng)振蕩器1310的模擬AGCCOMP信號，并且提供用于精確地同步數(shù)字電路并且以振動(dòng)組件的振蕩進(jìn)行采樣的數(shù)字時(shí)鐘信號CLK和COUNT。這是通過使用高頻振蕩器實(shí)現(xiàn)的，高頻振蕩器被分頻到匹配振動(dòng)組件100的自然振動(dòng)頻率的某一頻率并且被鎖定于AGC信號AGPCOMP的相位參照(諸如零交叉點(diǎn))。
CLK/COUNT信號從AGCCOMP信號同相移位90度以便于檢測信號角速度信息的提取。因此，可以精確地與振動(dòng)組件100的物理振動(dòng)同步。也提供高速HSCLK信號，其與CLK時(shí)鐘信號同步并且具有較高的頻率。在校準(zhǔn)過程中，為了確定YINPH和PINPH校準(zhǔn)數(shù)值，有選擇地使90度相位移位無效。
ASIC 1030和EEPROM 1020使用包含在串行接口和RAM塊1355中的諸如菲利甫12C接口的串行2線纜接口與外部微處理器連通。所述2線纜接口在外部封裝和懸持組件之間保存所需的連接數(shù)量。實(shí)際上，僅有四個(gè)與所述懸持組件的電連接。這使得外部微處理器從結(jié)果寄存器讀取數(shù)字?jǐn)?shù)值并且將校準(zhǔn)數(shù)值和狀態(tài)數(shù)值寫入輸入寄存器。
在工廠校準(zhǔn)過程中，測量誤差信號并且適當(dāng)?shù)亩?biāo)因子存儲在EEPROM1020中。在正常運(yùn)行的初始過程中，外部微處理器從EEPROM1020中讀取存儲的校準(zhǔn)數(shù)值，并且將它們寫入ASIC1030上的寄存器。ASIC1030使用這些存儲的數(shù)值來設(shè)定用來執(zhí)行如上所述的誤差校正的適當(dāng)?shù)腄AC電平。
數(shù)值YINPH，PINPH，YOFST，POFST，YCAX，PCAX，YSF，PSSF，RCC，CN和AGS分別存儲在<PINPH>，和<YINPH>，<POFST>，<YOFST>，<YCAX>，<PCAX>，<YSF>，<PSSF>，<RCC>，<CN>和<AGS>寄存器中。在工廠校準(zhǔn)過程中，這些寄存器數(shù)值由外部處理器寫入EEPROM1020中以永久儲存。隨后啟動(dòng)這些數(shù)值加載于(植入)ASIC1030上的寄存器中以減少循環(huán)設(shè)定時(shí)間。RCC和AGC的數(shù)值被植入與AGC前置放大器相關(guān)聯(lián)的寄存器以及振動(dòng)振蕩器1310中。RCC是用于調(diào)整振蕩器中心頻率以補(bǔ)償ASIC處理變化的時(shí)間常數(shù)校準(zhǔn)。AGS是振幅校準(zhǔn)數(shù)值，其在振幅檢測前放大AGC信號。因此，改變AGS的數(shù)值就改變了從動(dòng)反相運(yùn)動(dòng)的物理振幅。在ASIC1030中的主動(dòng)寄存器中植入(預(yù)載入)這些數(shù)值允許每個(gè)傳感器被電校準(zhǔn)并且改善啟動(dòng)時(shí)間，ASIC1030是板載懸持組件1110。
在整個(gè)電路中以傳統(tǒng)的方式進(jìn)一步執(zhí)行數(shù)字和模擬濾波從而去除出現(xiàn)在信號上的不希望的低高頻成份。這種電路未示出。
ASIC1030還包括溫度傳感器1380和電壓等級檢測器1390，這些傳感器饋通電壓/溫度ADC1370，從而可以報(bào)告?zhèn)鞲衅鞯臏囟纫约肮┙o電壓。這些數(shù)值使得能允許對取決于溫度和電壓的現(xiàn)象進(jìn)行后續(xù)較高階的誤差校正。
雖然本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是顯然的是在不背離權(quán)利要求所述的本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，包括振動(dòng)元件，其包括沿共同軸線對稱設(shè)置以沿所述軸線振動(dòng)的一對振動(dòng)質(zhì)量體；驅(qū)動(dòng)器，其耦合到至少一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量，以沿所述軸線在振動(dòng)質(zhì)量體中引發(fā)周期運(yùn)動(dòng)；第一檢測電路，其耦合到至少其中一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量，用于檢測在垂直于該振動(dòng)軸線的一個(gè)方向上的振動(dòng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)；以及第二檢測電路，其耦合到至少其中一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量，用于檢測在垂直于該振動(dòng)軸線的另一個(gè)方向上的振動(dòng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，其中所述驅(qū)動(dòng)器引發(fā)振動(dòng)質(zhì)量之間的反相運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，其中振動(dòng)質(zhì)量包括磁性元件并且所述驅(qū)動(dòng)器和所述檢測電路包括電磁元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，其中所述驅(qū)動(dòng)器被耦合到一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量并且檢測電路被耦合到另一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，其中所述驅(qū)動(dòng)器被周期性地耦合到一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量并且所述檢測電路在驅(qū)動(dòng)器未被耦合的時(shí)間中被耦合到同一振動(dòng)質(zhì)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，其中一個(gè)方向和其它方向是共面的并且大體彼此垂直。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，包括用于檢測振動(dòng)質(zhì)量沿振動(dòng)軸線的運(yùn)動(dòng)的振幅和相位的運(yùn)動(dòng)傳感器，其中所述運(yùn)動(dòng)傳感器耦合到驅(qū)動(dòng)器，并且所述驅(qū)動(dòng)器以重復(fù)方式響應(yīng)于檢測到的振幅和相位驅(qū)動(dòng)振動(dòng)質(zhì)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，還包括具有耦合到其中一個(gè)質(zhì)量的彈性第一元件和耦合到其中另一個(gè)質(zhì)量的彈性第二元件的平面恢復(fù)元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，還包括單一均質(zhì)恢復(fù)元件，該元件具有耦合到每一質(zhì)量的彈性第一元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，其中彈性第一和第二元件被延長從而使得它們具有大于它們端部之間直線距離的長度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，其中所述恢復(fù)元件還包括用于將振動(dòng)組件連接到外部安裝件的彈性安裝元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，其中檢測運(yùn)動(dòng)和反相運(yùn)動(dòng)的諧振充分接近從而放大檢測模式，而其它諧振模式在頻率上被充分地分開從而使它們可以通過濾波被有效地去除。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器，其中平面恢復(fù)元件是徑向地X折疊對稱的，X是大于或等于3的整數(shù)。
14.一種用于操作振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器的方法，所述速度傳感器包括一對沿共同軸線對稱設(shè)置的振動(dòng)質(zhì)量，用于沿所述軸線振動(dòng)，所述方法包括的步驟有驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量以沿所述軸線在振動(dòng)質(zhì)量中沿所述軸線引發(fā)周期性運(yùn)動(dòng)；檢測至少其中一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量在垂直于該振動(dòng)軸線的一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)；以及檢測至少其中一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量在垂直于該振動(dòng)軸線的另一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的操作振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器的方法，其中驅(qū)動(dòng)步驟引發(fā)振動(dòng)質(zhì)量之間的反相運(yùn)動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的操作振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器的方法，其中所述振動(dòng)質(zhì)量包括磁性元件并且檢測步驟是電磁完成的。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的操作振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器的方法，其中所述驅(qū)動(dòng)器被耦合到一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量，而檢測電路被耦合到另一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量，其中驅(qū)動(dòng)步驟驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量，而檢測步驟檢測另一振動(dòng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的操作振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器的方法，其中驅(qū)動(dòng)步驟間歇地驅(qū)動(dòng)一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量，而檢測步驟在該振動(dòng)質(zhì)量未被驅(qū)動(dòng)時(shí)檢測該振動(dòng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的操作振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器的方法，其中所述一個(gè)方向和另一個(gè)方向是共面的并且大體彼此垂直。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的操作振動(dòng)轉(zhuǎn)速傳感器的方法，還包括檢測至少其中一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量的沿振動(dòng)軸線的運(yùn)動(dòng)的振幅和相位的檢測步驟，以及響應(yīng)于檢測到的振幅和相位以重復(fù)方式驅(qū)動(dòng)振動(dòng)質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)步驟。
全文摘要
一種雙軸旋轉(zhuǎn)速度傳感器，該傳感器具有兩個(gè)耦合到恢復(fù)元件的振動(dòng)質(zhì)量體并以諧振反相運(yùn)動(dòng)受到驅(qū)動(dòng)，其中兩個(gè)質(zhì)量體沿單一軸的振動(dòng)相同但是振幅相反。所述振動(dòng)結(jié)構(gòu)件還容納質(zhì)量體在垂直于振動(dòng)軸線的平面中的運(yùn)動(dòng)。對所述質(zhì)量體沿兩個(gè)軸線在這個(gè)平面中的運(yùn)動(dòng)所進(jìn)行的測量提供了直接響應(yīng)于所述傳感器圍繞兩個(gè)正交軸線旋轉(zhuǎn)的信號。通過使用磁性質(zhì)量體，以及電磁驅(qū)動(dòng)和檢測轉(zhuǎn)換器，便于執(zhí)行測量和驅(qū)動(dòng)。
文檔編號G01C19/56GK1954190SQ200580015350
公開日2007年4月25日 申請日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者史蒂文·P·霍特林, 萊克斯·拜爾, 布賴恩·R·蘭德 申請人:湯姆森特許公司