TWI286201B - Three-axis sensing micro gyroscope - Google Patents

Description

1286201 星之一，其他諸如應用於油路的微型壓力感測器 (Micro Pressure Sensor)的應用也大幅地提高了行車 的安全與性能，當然也大幅地降低了汽車控制系統的 零件成本。 除此之外，另一項更為重要的感知器就是微型陀 螺儀（Micro Gyroscope)，微型陀螺儀於汽車的應用相 當廣泛，例如車輛穩定性控制（Vehicle Stability Control)、車輛動態控制（Vehicle Dynamic Control)、翻覆偵測（Rollover Detection)、慣性導 _ 航系統（Inertial Navigation System, INS)與碰撞避 r 免（Collision Avoidance)等等，就功能上而言，慣性 導航系統（INS)整合了加速度計與陀螺儀，可即時地獲 得車體本身的運動參數，例如車體的加速度與角加速 度，有此數據，則只要經積分就可計算出車體在空間 中的位置與車體的運動狀態，利用此特性以之即時監 / 控汽車的行駛動態，可以提升行車的安全與舒適性。 常見之微型陀螺儀設計，包括有振動式 # (Vibratory Rate Gyroscope，）、振動指叉式（Tuning

Fork)、振動樑式（Vibrating Beams)及四葉草式 (Clover-leaf Shape)等，微型振動式陀螺儀由於不 用產生大幅度的轉動而毋須轴承，因此可以利用微機 電製程技術以進行微型化及批次製造。所有振動式的 陀螺儀’其作動原理主要乃是藉由外界輸入之角速 度，對致動端之線速度進行外積而在感測端產生科式 加速度（Coriolis Acceleration)，藉由致動及感測 6 1286201 端能量的轉換來進行角速率的感測。而一般應用於陀 • 螺儀中較常見之驅動機制可分為靜電式、電磁式、壓 電式專，而感測機制可分為電容式、壓電式、以及壓 阻式等類型；微型振動式陀螺儀若依其作用原理之不 同，又可分為質量平移式與轉動質量式，其中轉動質 量式可作為雙轴式的致動與輸出。 其中，如第七圖所示係為一種質量平移式陀螺 儀，一般質量平移的陀螺儀皆是驅動懸浮於基底 蠱 （Substrate)上的單一質量塊（Proof Mass)使其產生 振動，並藉由基底的旋轉效應產生科式（c〇ri〇lis)加 速度，並藉由感測模組以計算科氏力；質量塊可以在 兩個垂直的方向上振盪，分別是驅動與感測方向，此 一系統乃屬於兩個自由度（Degree 〇f Freed〇m，D〇F) 的系統，一般在質量平移的操作之下，質量塊的旋轉 效應可予以忽略，故可將其視為質點運動，考慮彈性 / 及阻尼將系統等效。 〜 另，如第八、九圖所示則係為一種旋轉質量式陀 • 嫘，，一般轉動質量式之陀螺儀乃利用靜電、電磁力 或是支撐臂的方式使質量塊懸浮，當陀螺儀受到科式 力矩作用時，會在感測端產生y角的傾斜，而使質量塊 與基，之間的距離改變，進而藉由電容效應感測改變 量而得到角速度；假設陀螺儀在As方向受到致動器的 作用產生旋轉，若系統所受到外加的旋轉效應在^方 向，所以在A2方向上會產生一科氏扭力（c〇ri〇Hs Torque)，並造成質量板稱微的傾斜；藉此原理，旋轉 7 1286201 變化，由於陀螺儀（1)在致動及感測方向分別各有兩個 自i度’因此在兩方向也同樣的具有兩各自然頻率， 可避免雙軸自然頻率無法配合的問題，在致動之時該 第一質量塊（13)、第二質量塊（14)及第三質量塊（15) 在感測方向受到拘束，故只能在致動方向自由動作， 而外力則由第一質量塊（13)處輸入，在感測之時第二 質量塊（14)及第三質量塊（15)則對反耦合之參考體進 订運動，其方向亦侷限僅能在感測方向作動，因此感 _ 測之時僅需感測第二質量塊（14)及第三質量塊（15)間 之相對運動，而不會受到致動方向振幅之干擾，進而 直接消除因製程缺陷而導致的耦合現象。 藉由以上所述，本發明與現有結構相較之下，由 於本發明係在載體上之基座間分別設有第一、二、三 質量塊，同時以第一、二、三感測器對應進行感測， 使其能藉由平面的旋轉運動（〇uter-ring與 Inner-disk)感測X與γ軸的角動量變化，且藉由平移 運動（Trans!ation Proof Mass)感測Z軸向的角動量 • 變化，加上利用了陣列式質量塊作為多軸的致動與輸 出，亦可有效地提高陀螺儀的解析度，以滿足例如汽 車之慣性導航系統（INS)在實際上及下世代所須高解 析度之要求，而更增其整體實用價值性者。 綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用 功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類 產品中’亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法 之規定與要求’爰依法提出發明專利之申請，懇請惠 10 1286201 予審查，並賜准專利，則實感德便。 1286201 【圖式簡單說明】 第一圖：本發明之結構示意圖（一） 第二圖：本發明之結構示意圖（二） 第三圖：本發明之結構示意圖（三） 第四圖：本發明之結構剖視示意圖（一） 第五圖··本發明之結構剖視示意圖（二） 第六圖：本發明之設計概念圖 第七圖：現有質量平移式陀螺儀之系統等效圖 第八圖：現有旋轉質量式陀螺儀之作用原理示意 圖（一） 第九圖：現有旋轉質量式陀螺儀之作用原理示意 圖（二） 【主要元件符號說明】 (1) 陀螺儀 (11) 載體 (12) 基座 (13) 第一質量塊 (131) 第一感測器 (14) 第二質量塊 (141) 第二感測器 (15) 第三質量塊 (151) 第三感測器 (16) 梳狀電極 12

Claims (1)

1286201 ?^年〃月/日修(更)正替換頁 十、申請專利範圍： ‘ 一種具三軸感測之微型陀螺儀，該陀螺儀主要係 於上、下相對應之載體上附著設有基座，該基座能隨 著載體移動，於該基座間分別設有第一質量塊、第二 質量塊及第三質量塊，且第一質量塊受到梳狀電極的 作用力作用而帶動第二質量塊及第三質量塊一同相對 於基座旋轉，另於載體上對應第一質量塊與第二質量 塊分別設有第一感測器與第二感測器，又於第三質量 # 塊外對應該第三質量塊同樣設有第三感測器。 參 13