[发明专利]弹簧结构、振荡器、振荡器阵列和传感器

说明书

技术领域

本发明大体上涉及振荡器技术，但更具体地涉及传感器，且具体地涉及在这些传感器中通过(如在与之有关的独立权利要求的前序部分中提出的)弹簧结构来消除误差。本发明还涉及(如在与之有关的独立权利要求的前序部分中提出的)振荡器。本发明还涉及(如在与之有关的独立权利要求的前序部分中提出的)振荡器阵列。本发明还涉及(如在与之有关的独立权利要求的前序部分中提出的)传感器。本发明还涉及具有至少一个本发明的振荡器的传感器系统。

背景技术

抗振动性和抗冲击性是角速度传感器必需的关键特性。特别是，在诸如驱动稳定性控制系统等汽车工业的已知技术应用中，这些要求是极其严格的。即使来自例如岩石的猛烈的外部撞击或由汽车操纵者引起的振动也应当不影响角速度传感器的输出。

在已知技术的微机械振荡器中，诸如在角速度传感器中，在移动质量块之间设计耦接弹簧(coupling spring)被认为是合适的，该弹簧将允许它们反相运动(opposite-phase motion)，并同时抵抗质量块的共模运动(common mode motion)。这类布置事实上尤其是用于区分机械振动和实际信号。在此情况下，从质量块检测的信号是差动信号，而对它们产生影响的加速度共同引起了共模偏转(common mode deflection)。

根据图1，简单的耦接振荡器由两个质量块(m1，m2)和三个相似的一维弹簧(S1，S2，S3)组成。这类结构有效地区分质量块(m1，m2)的共模运动与模式差异。然而，就相对加速度的灵敏度而言，由于耦接弹簧并未参与同相的运动，所以质量块在同相比在反相的情况下更容易偏转(该模式的频率较低)，因而该结构是不合适的。在图1中的简单的耦接振荡器的示意图中，它的用于耦接质量块的弹簧是与其它弹簧相类似的一维弹簧。

特别是，博世(Bosch)在专利US6752017B2中描述了一种用于Z轴陀螺仪的耦接弹簧结构，在该结构中，检测的运动是质量块在共同运动轴上的反相振荡。已知技术的这些弹簧结构的共同点在于，它们参与界定主要模式和次要模式的频率以及将它们放置在待耦接的相邻质量块之间的因子。

然而，已知技术描述的弹簧结构的缺点在于相对于线性加速度的敏感性，这是因为类似于上述简单的耦接振荡器，它们相对于共模运动比相对于反相运动更松散，其中与期望的反相激励相比，撞击和振动更容易使质量块(m1，m2)偏转。此外，因为弹簧结构在两种模式中均进行参与，所以难以控制主要模式的非线性。因此，较佳的方式是完全分离耦接不同模式的弹簧结构，其中可与次要悬挂机构(secondary suspension)无关地得到主要运动的悬挂机构的非线性。

事实上已提出了如下改进，其使用在一维轴上配备有振荡质量块的类跷跷板式耦接弹簧，该弹簧就机械干扰而言是明显更好的解决方案，因为它相对于同相偏转比相对于反相偏转更刚性。这类耦接悬挂机构例如被实施为用于图2中的激发器框架的y方向主要运动，其中图2图示了根据已知技术的Z轴角速度传感器，该传感器例如在上端和下端的y轴方向上具有类跷跷板式耦接弹簧结构。

然而，图2的角速度传感器结构中完全不存在位于框架内的质量块M1和质量块M2之间的耦接，其中，在x轴方向上，质量块起到几乎独立的加速度传感器的作用。在没有耦接的情况下，它们在机械上相对于(共模)机械干扰的灵敏性几乎与相对于待检测的反相科里奥利力(Coriolis force)的灵敏性相同。因此针对质量块如何较佳地设计耦接悬挂机构的问题仍待解决，该悬挂机构将阻止它们的同相运动，但是将不会参与y轴方向上的主要运动。

上述跷跷板式悬挂机构形成了切实可行的技术方案，该方案中的质量块在单向且平行的轴上移动，但是考虑到紧凑的组装结构，它占据了大量的空间。图3概略地图示了此类在某种意义上不经济的对置结构，该结构配备有在公共轴上移动的质量块。从图3显然可知，这类结构几乎占据了质量块之间的全部空间，该结构先前是用于主要运动的激励梳形结构(excitation comb structure)。

根据已知技术的解决方案事实上旨在解决如何针对质量块来设计耦接悬挂机构的问题，该悬挂机构将防止它们的同相运动，但是将不会参与y轴方向上的主要运动。

博世的专利文件WO2010/034556A3还披露了由四个角元件组成的悬挂机构，该悬挂机构还适应于角速度传感器的次要模式耦接。由于基座的安装点被构建在它的外角处，所以这导致了例如由温度变化引起的变形，该变形引起了应变并改变了结构的振荡频率。虽然在角元件之间增加的应变去除结构减少了应变，但是占据了大量的空间。