CN110573835A - 被构造成结合到惯性角度传感器内的共振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种构造成结合到一惯性角度传感器内的共振器(1)，所述共振器(1)包括由机械弹簧(5)悬挂的至少一个块体，以及N对P_i(2≤i≤N)的静电弹簧(50)，所述共振器(1)限定至少四个对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄，其特征在于：每对P_i包括两个静电弹簧(50)，每个静电弹簧都具有特定的动作轴线，这些静电弹簧(50)设置为使得它们的相应轴线形成一直角；并且，对于所述对中的一对的至少一个弹簧以及另一对的一个弹簧，由这两个弹簧形成的角度等于一预定角度。

Description

被构造成结合到惯性角度传感器内的共振器

技术领域

本发明涉及例如陀螺测试仪或陀螺仪的振动惯性角度传感器的领域，更具体说是涉及微机电传感器或MEMS(微机电***)。

背景技术

根据共振器结构的不同，MEMS型振动惯性角度传感器可分为两大类。共振器是一种以被称为共振频率的频率机械共振的物理结构。

在第一族中，共振器是通常旋转(环、圆柱、半球、盘)的可变形体。在第二类中，共振器由通过弹性元件连接到支撑件的一个或多个非可变形块体组成。本发明特别地涉及属于第二族并且因此以块体/弹簧***形式的共振器。

惯性角度传感器通常包括被布置成以给定的共振频率振动该共振器的致动器，以及共振器变形的检测器。这些致动器和变形检测器通常安装在共振器和支撑件之间。

一种MEMS类型的惯性角度传感器用于测量角速度(陀螺测试仪模型)或角位置(陀螺仪模型)。

为了获得高性能的惯性传感器，共振器的特性是各向同性的很重要，即无论共振器振动的方向如何，都是等同的。换句话说，根据振动的角位置，不存在测量误差。

如果我们以陀螺仪为例，所述陀螺仪的共振器具有两个特定模型，所述模型的振动方向处于90度，当施加旋转到共振器支撑件时，振动相对于共振器的相对运动与该旋转正好相反。为了改进这种陀螺仪的精度，共振器的刚度和阻尼特性必须为各向同性的，即在所有方向中都是均匀的。

对于传统的MEMS传感器实施例，共振器的加工精度并不足以获得所需的刚度各向同性。例如，对于频率为约10kHz的共振器，所获得的频率各向异性可以达到±1％，即±100Hz，而实现精密振动陀螺仪的功能要求需要远低于±1Hz的各向异性。

一个目的是提出一种用于校正悬挂块体共振器的频率各向异性的解决方案，以获得高性能的振动陀螺仪。

悬挂块体共振器是微机电***(MEMS)领域中已知的一种共振器。它包括具有两个正交特定模型的至少一个块体/弹簧***，其紧密振动频率用于测量与块体的振动平面垂直的轴旋转。悬挂块体具有三个自由度，包括两个平移和一个旋转。

法国专利申请FR 2 983 574提出了一种通过使共振器的阻尼各向异性更加稳定来平衡例如振动陀螺仪的振动惯性角度传感器的解决方案。所描述的共振器由两个方形环形的同心块体组成。因此，通过校正由块体体的整体重心在振动频率下的移动所产生的动态不平衡获得了平衡。通过惯性角度传感器的特定机械结构以及静电弹簧刚度的单独调节实现了校正。所使用的静电弹簧的作用方向垂直于块体的侧面，这不允许补偿在所有方向上的频率各向异性。

发明内容

本发明提出了一种方案，其可以基本上通过电气调节而非机械调节以沿所有方向加强各向同性共振器，使得该解决方案有利地适用于可具有机械结构和可变形状的惯性角度传感器。

本发明涉及一种被构造成结合到惯性角度传感器内的共振器，所述共振器包括由机械弹簧悬挂并具有数量N对Pi(2≤i≤N)静电弹簧的至少一个块体，所述共振器具有至少四个对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄，并具有以下特征：

-每对P_i包括两个静电弹簧，每个静电弹簧都具有优选的作用轴D，这些静电弹簧被定位，使得它们各自的轴D形成一直角，

-对于其中一对的至少一个静电弹簧以及另一对的一个静电弹簧，由这两个静电弹簧形成的角度等于预限定角度。

本发明还可包括一个或多个的以下特征：

-所述预限定角度优选地为45度，

-每对P_i相对于共振器的对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄中的至少一个与至少一个其他对P_j(j≠i)对称，

-每个静电弹簧与所述共振器的四个对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄中的至少两个形成α＝90/N度角。

-在N严格地大于2的情况下，每对P_i的每个弹簧分别相对于所述共振器的对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄中的一个与其他对的至少两个弹簧对称，

-在N严格地大于2的情况下，每对P_i分别相对于所述共振器的对称轴线S₁、S₂、S₃、S₄的两个与两个其他对P_j、P_k(j≠i、k≠i和k≠j)对称。

-在N严格地大于2的情况下，每对P_i的每个弹簧分别相对于所述共振器的对称轴线S₁、S₂、S₃、S₄中的一个与其他对的四个弹簧对称。

其次，本发明提出了一种惯性角度传感器，包括支撑件，以及如上所述的共振器，所述共振器的至少一个块体通过N对静电弹簧以及通过机械弹簧连接到所述支撑件。

所述惯性角度传感器可包括一个或多个的以下特征：

-所述惯性角度传感器包括通过连接弹簧连接在一起的内块体和外块体，所述内块体和外块体的每个都通过机械弹簧连接到所述支撑件，并且所述内块体和外块体的每个都通过数量N个静电弹簧连接到所述支撑件。

-所述外块体大致为方环形。

-所述内块体和外块体具有相同的对称轴。

第三，本发明提出一种校正被结合在如上所述的惯性角度传感器中的共振器的刚度的方法，包括以下步骤：

-使用变形传感器测量不同振动方向的共振器振动频率，

-基于这些测量结果，确定所述共振器的失效刚度K_U，

-根据失效刚度K_U计算应用于一系列弹簧的张力，

-在所述系列弹簧上应用所计算的张力，

-如果共振器的振动频率各向异性大于阈值频率各向异性值，则重复前述步骤。

根据该方法的一种优选实施例，所述阈值频率各向异性值为1Hz。

当参考附图，阅读作为非限制性示例给出的以下描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将显而易见。

附图说明

图1是悬挂块体共振器的示例。

图2是静电弹簧的简化图形式的图示。

图3是具有四个静电弹簧的本发明示例性实施例的图示。

图4是根据本发明示例性实施例的由八个静电弹簧形成的模型的图示。

图5是根据本发明示例性实施例的悬挂块体共振器的图示。

图6是根据本发明示例性实施例的悬挂块体共振器的图示。

图7是根据示例性实施例的配备有共振器的惯性传感器的图示。

图8是根据示例性实施例的配备有共振器的惯性传感器的图示。

具体实施方式

本发明涉及一种将结合到例如MEMS型的惯性角度传感器2内的共振器1。

首先参考图1，其显示一具有悬挂在支撑件4上的块体3的共振器的示例。这包括利用至少两个正交机械弹簧5悬挂的至少一个振动块体3。块体3具有三个自由度，即沿X轴线和Y轴线的两个平移自由度，和绕垂直于X轴线和Y轴线的Z轴线的一个旋转自由度。每个机械弹簧都具有一定的刚度。

静电弹簧50与机械弹簧5平行设置，图2给出其工作原理。

图2是静电弹簧的简化图形式的示图。如图2所示，静电弹簧包括由固定电极8和可移动电极9形成的至少两个平行的表面6和7，所述固定电极8和可移动电极9的气隙e，即两个表面之间的间隙，在振动的作用下变化。该移动电极沿弹簧50的优选变形轴线D移动。施加到移动电极9的静电力F证明了两个表面6和7之间的静电吸引。在两个表面之间施加直流电压V。该电压V产生负刚度，所述负刚度被添加到机械弹簧的机械刚度中，以构成等效弹簧的总刚度。

图2所示的弹簧50为简化形式。实际上，例如，电极8和9也可具有叉指型硅梳的形状。工作原理和以前一样。

本发明的一个目的是通过调节静电弹簧50的刚度来控制共振器1的振动频率。

理论分析表明，由如图1所示的由悬挂的块体构成的共振器的KU失效刚度是一个函数，其变量是绕垂直于块体3在其中移动的平面的轴线测量的振动的角θ位置的两倍。该函数由以下方程式(1)表示：

K_U(θ)＝k(1+δk cos(2θ)) (1)

其中，δk是刚度K_x-沿X方向的刚度和K_y沿Y方向的刚度的相对偏差的一半；k是刚度K_x和K_y的平均值。

在其中使用0度θ的特定情况下，失效刚度K_U可由方程式(2)表示，并且在使用90度θ的情况下，K_U可由方程式(3)表示：

K_U(0)＝k(1+δ_k)＝K_x (2)

K_U(90)＝k(1-δ_k)＝K_y (3)

角度θ是在块体3的运动方向与其中块体3移动的平面X，Y的X轴线之间的夹角。它用于限定失效刚度K_U的初始方向。

图1的机械弹簧5的未对准和/或弹簧5在两个轴线上的使用引入了sin(2θ)分量。

因此，静电弹簧50必须被定位在共振器1上，其方式使得无论其初始方向如何，即无论角度θ如何，都可以补偿失效刚度。这导致需要能够同时补偿失效刚度K_U的余弦cos(2θ)和正弦sin(2θ)分量。刚度K_U是一种变量2θ函数，通过45度的物理旋转实现了从余弦分量到正弦分量的过渡。

然而，静电弹簧50仅产生负刚度。为此，需要它们的变形轴线形成直角的至少一对P的静电弹簧50，以增加或减小刚度K_x或K_y。

图3是具有四个静电弹簧的共振器的示例性实施例的示图。在图3的情况下，共振器2包括以与X轴线成不同于0度和90度的角度偏移的两对静电弹簧50，即两对P₁和P₂静电弹簧50成对偏移，例如偏移45度，每对包括两个弹簧50，它们的优选动作轴线形成直角，如图3所示。为了简化弹簧50在其相应位置和方向的表示，每个弹簧50均由箭头表示。该结构使得可独立于正弦和余弦分量进行补偿。将可使用四个静电弹簧，它们中的每个都分别与X轴线形成角度α-β、α+β、α-β+90、α+β+90，其中0＜β≤45。该结构使得可沿所有方向进行频率各向异性补偿。

在图3的特定情况下，α和β均为22.5度。不施加值β，但22.5度是用于补偿沿所有方向的频率各向异性的最佳值，并且是优选参数。

在每个箭头的端部，指示了补偿分量的性质(-cos表示负余弦分量，+cos表示正余弦分量，-sin表示负正弦分量，+sin表示正正弦分量)。

在图3中，有意用虚线表示补偿正余弦分量的对P₁的弹簧50，以显示对应于其箭头表示的其位置和方向。

对于一给定的共振器1，可以根据其形状限定有限数量的对称轴线，例如标记为S₁、S₂、S₃和S₄的四个对称轴线。这些对称轴线与共振器的该块体或多个块体的对称轴线重合。

出于对称性的原因，本发明提出根据共振器1的形状使用以相同角度规则间隔的数量N对P₁的弹簧50(N≥2，1≤i≤N)。图4、5和6中显示一种与四对标记为P₁、P₂、P₃和P₄对应的具有八个静电弹簧50的有利的示例性实施例。

图4是根据本发明示例性实施例的由八个静电弹簧形成的模型的图示。根据本实施例，这八个静电弹簧50以45度间隔开，并且共同限定模型10，所述模型10相对于共振器1的对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄的方向是自由的，这导致大量的可能的拓扑。

对于具有方形形状的共振器，如图5所示，通过使图4的模型旋转22.5度的角度而获得一优选方向，这在每个静电弹簧50与共振器1的四个对称轴线(S₁、S₂、S₃和S₄)的两个之间导致22.5度的恒定角度。在图5中，静电弹簧50限定了一标记为10.1的模型。在该构造中，弹簧50被定位为使得它们可被集合成N对P_i(或N≥2，21≤i≤N)弹簧50，它们的优选的动作轴线形成一直角，并且使得每个弹簧50与共振器1的至少两个对称轴线形成90/N度的角。

另一方面，从图5的模型10.1，对于共振器1的每个侧面C₁、C₂、C₃和C₄可以切换两个弹簧50，这导致图6的模型10.2。模型10.2由图6的所有静电弹簧50限定。每个模型10.1和10.2提供弹簧50的拓扑，指示它们的位置和相对方向。

因此，共振器1包括至少一个块体3、N对P_i(N≥2，1≤i≤N)的静电弹簧50，以及至少四个对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄。在图5和6所示的示例性实施例中，N为4(N＝4)。

如图5和6所示的共振器1的实施例具有以下共同特征：

-每对P_i包括两个静电弹簧50，每个弹簧都具有优选的动作轴线D，这些静电弹簧50被定位为使得它们各自的轴线D形成一直角，

-对于所述对中一对的至少一个弹簧以及另一对的一个弹簧，由这两个弹簧形成的角度等于预先确定的角度，例如45度。

-每对Pi通过至少一个其他对P_j(其中j≠i)相对于共振器1的对称轴线S₁、S₂、S₃、S₄的至少一个对称，

-每对Pi的每个弹簧50分别相对于共振器1的对称轴线S₁、S₂、S₃、S₄中的一个与其他对的至少两个弹簧50对称。

图5所示的共振器1的实施例具有以下具体特征：

-每对Pi分别相对于共振器1的对称轴线S₁、S₂、S₃、S₄中的两个与其他两对P_j、P_k对称(其中，j≠i，k≠i以及k≠j)，

-每对Pi的每个弹簧50分别相对于共振器1的对称轴线S₁、S₂、S₃、S₄中的一个与其他对的四个弹簧50对称。

-每对Pi的每个弹簧50均与共振器1的四个对称轴线的至少两个形成α＝90/N度的角。

图5和6所示的共振器1的实施例使得对共振器1的频率各向异性可全方位补偿(沿所有方向)。本发明还提出一种配备有上述共振器1的惯性角度传感器2。该惯性角度传感器2包括支撑件4，以及共振器1，所述共振器1的块体3通过N对静电弹簧以及通过机械弹簧5连接到所述支撑件。

根据图7所示的一个实施例，传感器2具有两个同心的块体(3.1为内块体)和3.2(外块体)，每个都通过机械弹簧5连接到支撑件4，每个机械弹簧5在此都包括被定位在90度的两个柔性叶片。连接弹簧11将两个块体3.1和3.2连接在一起。致动器50被安装在每个块体3.1和3.2与支撑件4之间。每个块体3.1和3.2在平面中具有三个自由度，即两个平移自由度(沿X轴线和Y轴线)和一个旋转自由度(绕与X和Y平面垂直的轴线)。

块体3.1和3.2具有重合的对称轴线，形成传感器2的对称轴线S₁、S₂、S₃、S₄，所述块体具有相同的固有频率。所使用的振动模式对应于这两个块体的相对的位移。这种振动可以具有任何方向。对于块体3.1和3.2中的每个，使用了静电弹簧拓扑50，例如通过图6的模型10.2所描述的那个。

在图7的示例性实施例中，对于每个悬挂的块体3.1和3.2，存在四对静电弹簧50。根据一优选实施例，块体3.1和3.2大致为方的环形。然而，这并不是内块体3.1的限制，内块体3.1可以是方形的和实心的。

在图8中，表示了惯性角度传感器2的另一实施例，其中通过图5的模型10.1描述了所使用的静电弹簧50的拓扑。此外，根据另一可能的实施例，可以使用由用于每个块体3.1和3.2的一不同的模型，例如，用于块体3.1的模型10.1，用于块体3.2的模型10.2，或相反情况所限定的弹簧拓扑。

在图7的传感器2的实施例中，共振器1包括两个块体/弹簧***，第一***包括块体3.1以及相关联的机械弹簧5，第二***包括块体3.2和相关联的机械弹簧5。

静电弹簧50具有梳状电极形式的已知结构，其齿为交错的。静电弹簧50的梳的操作模式具有可变的气隙。

本发明还提供了一种用于校正结合在上述惯性角度传感器中的共振器1的刚度的方法，并且包括以下步骤：

-使用位于静电弹簧块50之间的变形传感器12测量共振器对于不同振动方向的振动频率，如图7和8所示。

-从这些测量结果，确定各向异性的振幅及其方向，即共振器的失效刚度K_U，

-计算被施加在一些弹簧上的张力，以补偿共振器失效刚度的正弦和余弦分量，

-如果共振器的振动频率各向异性大于一预定值，优选为1Hz，则重复之前的步骤。

以上步骤使得可通过电调节而非机械调节使共振器1在刚度方面为各向同性，所述共振器1将被结合到以块体/弹簧***形式的惯性角度传感器2中。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种惯性角度传感器(2)，包括支撑件(4)，其特征在于，它包括共振器(1)，所述共振器(1)包括由机械弹簧(5)悬挂的至少两个块体(3)，N对P_i(2≤i≤N)静电弹簧(50)，所述共振器(1)限定至少四个对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄，其特征在于：

-每对P_i均由两个静电弹簧(50)组成，每个静电弹簧均具有一个优选的动作轴线D，这些静电弹簧(50)被定位为使得它们的相应的轴线D形成一直角，

-对于所述对中的任一对的至少一个弹簧以及任何其他对的至少一个弹簧，由这两个弹簧形成的角度等于一预定的角度，

所述至少两个块体(3)通过所述N对静电弹簧(50)的至少一些以及通过至少一些所述机械弹簧(5)连接到所述支撑件，该共振器的所述至少两个块体包括通过连接弹簧(11)连接在一起的内块体(3.1)和外块体(3.2)，每个块体(3.1、3.2)均通过机械弹簧(5)连接到所述支撑件(4)，每个块体(3.1、3.2)均通过N个静电弹簧(50)连接到所述支撑件(4)。

2.根据权利要求1所述的惯性角度传感器(2)，其特征在于，所述预定角度为45度。

3.根据前述权利要求中任一项所述的惯性角度传感器(2)，其特征在于，每对P_i相对于所述共振器(1)的对称轴线S₁、S₂、S₃、S₄的至少一个与至少一个其他对P_j(其中，j≠i)对称。

4.根据前述权利要求中任一项所述的惯性角度传感器(2)，其特征在于，每对P_i的每个弹簧(50)与所述共振器(1)的四个对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄的至少两个形成α＝90/N度的角。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的惯性角度传感器(2)，其特征在于，所述外块体(3.2)具有大致方环形的形状。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的惯性角度传感器(2)，其特征在于，所述块体(3.1)和(3.2)具有相同的对称轴线。

7.一种用于校正被结合在根据权利要求1至6中任一项所述的惯性角度传感器(2)中的共振器(1)的刚度的方法，包括以下步骤：

-使用变形传感器(12)测量共振器(1)对于不同振动方向的振动频率，

-基于这些测量结果，确定共振器(1)的失效刚度K_U，

-从所述失效刚度K_U计算被施加到一些弹簧(50)的张力，

-在所述一些弹簧(50)上施加所计算的张力，

-如果所述共振器(1)的振动频率各向异性大于一阈值频率各向异性值，则重复先前的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阈值频率各向异性值为1Hz。

Claims (8)

1.一种惯性角度传感器(2)，包括支撑件(4)，其特征在于，它包括共振器(1)，所述共振器(1)包括由机械弹簧(5)悬挂的至少两个块体(3)，N对P_i(2≤i≤N)静电弹簧(50)，所述共振器(1)限定至少四个对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄，其特征在于：

-每对P_i均由两个静电弹簧(50)组成，每个静电弹簧均具有一个优选的动作轴线D，这些静电弹簧(50)被定位为使得它们的相应的轴线D形成一直角，

-对于所述对中的一对的至少一个弹簧以及另一对的一个弹簧，由这两个弹簧形成的角度等于一预定的角度，

所述至少两个块体(3)通过所述N对静电弹簧(50)的至少一些以及通过至少一些所述机械弹簧(5)连接到所述支撑件，该共振器的所述至少两个块体包括通过连接弹簧(11)连接在一起的内块体(3.1)和外块体(3.2)，每个块体(3.1、3.2)均通过机械弹簧(5)连接到所述支撑件(4)，每个块体(3.1、3.2)均通过N个静电弹簧(5)连接到所述支撑件(4)。

2.根据权利要求1所述的共振器(1)，其特征在于，所述预定角度为45度。

3.根据前述权利要求中任一项所述的共振器(1)，其特征在于，每对P_i相对于所述共振器(1)的对称轴线S₁、S₂、S₃、S₄的至少一个与至少一个其他对P_j(其中，j≠i)对称。

4.根据前述权利要求中任一项所述的共振器(1)，其特征在于，每对P_i的每个弹簧(50)与所述共振器(1)的四个对称轴线S₁、S₂、S₃和S₄的至少两个形成α＝90/N度的角。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的惯性角度传感器(2)，其特征在于，所述外块体(3.2)具有大致方环形的形状。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的惯性角度传感器(2)，其特征在于，所述块体(3.1)和(3.2)具有相同的对称轴线。

7.一种用于校正被结合在根据权利要求1至6中任一项所述的惯性角度传感器(2)中的共振器(1)的刚度的方法，包括以下步骤：

-使用变形传感器(12)测量共振器(1)对于不同振动方向的振动频率，

-基于这些测量结果，确定共振器(1)的失效刚度K_U，

-从所述失效刚度K_U计算被施加到一些弹簧(50)的张力，

-在所述一些弹簧(50)上施加所计算的张力，

-如果所述共振器(1)的振动频率各向异性大于一阈值频率各向异性值，则重复先前的步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述阈值频率各向异性值为1Hz。