[發明專利]對振動微機電陀螺儀中的驅動幅度的連續監測

有效

• 申請號: 201710380421.5
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107449413B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 基莫·特爾梅萊赫托
• 申請（專利權）人: 株式會社村田制作所
• 主分類號: G01C19/5712
• 分類號: G01C19/5712;G01C19/5733
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 唐京橋;李春暉

本發明公開了對振動微機電陀螺儀中的驅動幅度的連續監測。本公開內容涉及一種微機電陀螺儀，其包括至少一個質量元件、驅動致動器和感測電極。所述至少一個質量元件被配置為由驅動致動器驅動以進行具有驅動振蕩頻率ω_D的振蕩運動，并且所述感測電極被配置為從所述至少一個質量元件的振蕩運動產生感測信號。陀螺儀控制電路包括以頻率2ω_D檢測感測信號幅度的幅度檢測單元。該幅度產生對驅動振蕩幅度的量度。以頻率ω_D進行的幅度檢測產生對角旋轉速率的量度。

技術領域

本發明涉及振動微機電(MEMS)陀螺儀并且涉及對其操作的連續監測。

背景技術

MEMS陀螺儀使用科里奧利效應(Coriolis Effect)測量角速度。在振動MEMS陀螺儀中，質量元件由致動驅動力驅動以進行振蕩運動。在本公開內容中，該振蕩將被稱為“驅動振蕩”，并且其可以是線性的或旋轉的。圖1示出了被驅動為沿其主軸a₁線性振蕩的質量件，而圖2示出了被驅動為繞其主軸a₂旋轉振蕩的質量件。驅動振蕩在兩個圖中以實心黑色箭頭表示。致動驅動力可以由例如靜電致動器、磁性致動器或壓電致動器產生。

微機電陀螺儀可以包括參考框架，一個或更多個質量元件用允許質量元件以至少兩個自由度移動的彈簧結構連接至所述參考框架。參考框架通常圍繞質量元件。參考框架和質量元件通常被配置用于彼此相關的電測量。質量元件可以在由參考框架限定的平面內或在由參考框架限定的平面外振蕩。

當包含處于驅動振蕩的質量元件的陀螺儀經受關于不與主軸平行的次軸的角旋轉速率Ω時，質量元件受到科里奧利力的影響。科里奧利力由角旋轉速率矢量和質量元件速度矢量的大小和方向決定。處于驅動振蕩的質量元件將經受振蕩科里奧利力。該力使質量元件沿著或關于垂直于主軸的次軸振蕩。本公開內容中沿著或關于次軸的振蕩將被稱為“感測振蕩”。

在圖1和圖2中，角旋轉速率Ω用白色箭頭表示，感測振蕩用灰色箭頭表示。感測振蕩在圖1中為沿著軸a₃的線性振蕩，而在圖2中為關于軸a₃的旋轉振蕩。換言之，圖1和圖2中的次軸是a₃。感測振蕩可以通過與固定參考框架相關的電容感測、壓電感測或壓阻感測進行檢測。在本公開內容中，由該檢測產生的電信號將被稱為“感測信號”。

在本公開內容中，術語“感測振蕩幅度”是指陀螺儀中的質量元件在經受感測振蕩時從其休息位置偏移的最大程度。術語“驅動振蕩幅度”是指陀螺儀中的質量元件在經受驅動振蕩時從其休息位置偏移的最大程度。感測振蕩幅度和驅動振蕩幅度都可以是如圖1和圖2所示的線性距離或角度。

相應地，在本公開內容中，術語“感測振蕩頻率”和“驅動振蕩頻率”分別表示質量元件在感測振蕩和驅動振蕩中振蕩的頻率。符號ω_D表示本公開內容中的驅動振蕩頻率。框架、質量元件和彈簧可以被設計成使得感測振蕩頻率呈現等于或非常接近驅動振蕩頻率的值。

可以用一個驅動致動器驅動若干質量元件。驅動運動同時傳輸到所有質量元件。對若干質量元件的同時電容性監測有助于各種差分電容的測量。差分電容測量比單邊測量噪聲小，因為它們使得感測振蕩(由角速率產生)能夠與額外的電容信號(可能由其他振動或加速度產生)更清楚地分離。實現清楚分離的一種方式是以相反的相位驅動質量元件(例如，當一個質量件沿a₁軸在正方向上移動時驅動另一質量件在負方向上移動，或者當一個質量件沿a₁軸在負方向上移動時驅動另一質量件在正方向上移動)。這些質量元件的感測振蕩也將處于相反的相位(當一個質量件沿a₃軸在正方向上移動時另一質量件將在負方向上移動，或者當一個質量件沿a₃軸在負方向上移動時另一質量件將在正方向上移動)。這種差分模式感測振蕩(由角速率產生)可以清楚地區別于其中上述兩個質量件沿著a₃軸在相同的方向上移動的共模運動(由其他振動或加速度產生)。