悬持组件上的数字式电子组件转让专利
申请号 : CN200580015377.3
文献号 : CN100582666C
文献日 : 2010-01-20
发明人 : 史蒂文·P·霍特林 , 莱克斯·拜尔 , 布赖恩·R·兰德
申请人 : 汤姆森特许公司
摘要 :
一种振动旋转速度陀螺仪，它具有通过配置螺旋弹簧与外界振动隔离的悬持组件。这个隔离的组件包括旋转速度陀螺仪的有源零件和数字处理电路。该数字处理电路包括用于外部确定的和内部确定的产品特定校准值的数字存储器。这些值提供了改善了回路起动时间的起动过程的种子值，和产品特定电子校准值。该数字处理电路还可将所有数据转换为数字形式。使用数字通讯协议，只用二个导体就可将校准信息和输出数据传送至该隔离的组件和从该隔离组件传出。电源使用二个另外的导体。4个在该悬持结构中使用的螺旋弹簧用作这些导体，使得不需要另外的导线。
权利要求 :
1.一种安装在通过悬持件与振动隔离的组件上的运动传感器，其中，该运动传感器包括： 安装在该组件上的一个振动件； 安装在该组件上，可响应该组件的转动检测该振动件的运动的一个传感器；和 安装在该组件上并与该传感器连接，用以提供响应转动的数字数据的数字电子装置， 其中该数字电子装置存储校准值，并根据它校准数字数据。
2. 如权利要求1所述的运动传感器，其中该数字电子装置提供的该数字 数据通过至少一个该悬持件传送。
3. 如权利要求2所述的运动传感器，其中 一个悬持件为导电的螺旋形弹簧。
4. 如权利要求1所述的运动传感器，其中使用数字通讯协议，串行地通讯数字数据。
5. 如权利要求1所述的运动传感器，其中该传感器电子耦合到该悬持件。
6. 如权利要求1所述的运动传感器，其中校准值在该数字电子装置外面 产生，并且经过至少一个悬持件上以数字方式传送至该数字电子装置。
7. 如权利要求1所述的运动传感器，其中校准值由该数字电子装置产生。
8. 如权利要求6所述的运动传感器，其中另一个校准值由该数字电子装置产生。
9. 如权利要求1所述的运动传感器，其中该数字电子装置存储传送至该 数字电子装置以控制振动件的振动振幅的数字值。
10. 如权利要求1所述的运动传感器，还包括与振动件相耦合的驱动器， 其中该数字电子装置存储传送至该数字电子装置以控制该驱动器的起动频 率的数字值。
11. 如权利要求7所述的运动传感器，其中该数字电子装置包括确定校 准因子的自动校准回路，并且其中该数字电子装置还存储在经过至少一个悬持件传送以植入起动时的校准因子的数字起动值。
说明书 :
悬持组件上的数字式电子组件
技术领域
本发明涉及转速传感器领域，该转速传感器包括振动谐振器。本申请要
求于2004年3月12日提出的、题为"双轴振动速度陀螺仪"的临时申请 No.60/552,652的优先权。
求于2004年3月12日提出的、题为"双轴振动速度陀螺仪"的临时申请 No.60/552,652的优先权。
背景技术
也被称为"振动速度陀螺仪"的具有振动谐振器的转速传感器通过检测 由振动元件响应于传感器的旋转产生的力直接测量转速。已经开发了用在振 动速度陀螺仪中的振动元件的各种结构，包括悬持音叉结构件，振动梁和振 动环。这些元件在谐振条件下受到驱动，并且测量所述元件响应于旋转的运 动，从而确定所述元件上的力和传感器的旋转。
一个示例性的具有音叉元件的振动速度陀螺仪被公开在于1997年12月 16日授予Steven P. Hotelling和Brian R. Land的、题为"振动速度陀螺仪及 其组装和操作方法"的美国专利No. 5698784中。Hotelling-Land陀螺仪使用 两个振动元件， 一个振动元件检测围绕两个不同旋转轴的一个轴的运动。但 是，这种设计不仅需要使用两个音叉，而且两个音叉必须以不同的频率运作 从而将单元之间的串扰最小化。从复杂性和紧凑性的角度考虑，所希望的是 具有一种仅需要一个振动元件能够检测围绕两个轴的旋转的陀螺仪。
振动速度陀螺仪的一个困难来自于这样一种事实，从动振动运动与源自 旋转的力和运动相比要大得多。机械转换器的少量错位可以导致大的被驱动 运动，该运动导致在其它轴上被检测到的小信号中的误差。这些误差通常通 过调节传感器和/或通过从振动元件上去除材料被机械地修正。但是，这种机 械去除和调整是耗时和昂贵的。所希望的是提供电子的自动误差校正，并且 进一 步提供在操作条件下可在宽的变化范围上进行补偿的校正。
还希望提供一种旋转速度传感器，其较小、制造成本低，适于较宽范围 的应用，并且易于与微电子装置整合。这种适应性优选地包括调整传感器带 宽的能力以及从多个传感器提供均衡输出的能力。
4振动传感器对振动敏感，对外来振动和可以反射回传感器中的自己产生 的振动都敏感。因此，希望使旋转速度陀螺仪与这种振动隔离。最好，这种 隔离用简单和有效的悬持系统实现，该系统具有最少的零件，没有使隔离复
杂化和有损传感器寿命的不必要的通信和供电的导线。
还希望提供可以存储产品特定校准值和种子值，以加速启动整定时间的 旋转速度传感器。
本发明致力于提供这些优点。
一个示例性的具有音叉元件的振动速度陀螺仪被公开在于1997年12月 16日授予Steven P. Hotelling和Brian R. Land的、题为"振动速度陀螺仪及 其组装和操作方法"的美国专利No. 5698784中。Hotelling-Land陀螺仪使用 两个振动元件， 一个振动元件检测围绕两个不同旋转轴的一个轴的运动。但 是，这种设计不仅需要使用两个音叉，而且两个音叉必须以不同的频率运作 从而将单元之间的串扰最小化。从复杂性和紧凑性的角度考虑，所希望的是 具有一种仅需要一个振动元件能够检测围绕两个轴的旋转的陀螺仪。
振动速度陀螺仪的一个困难来自于这样一种事实，从动振动运动与源自 旋转的力和运动相比要大得多。机械转换器的少量错位可以导致大的被驱动 运动，该运动导致在其它轴上被检测到的小信号中的误差。这些误差通常通 过调节传感器和/或通过从振动元件上去除材料被机械地修正。但是，这种机 械去除和调整是耗时和昂贵的。所希望的是提供电子的自动误差校正，并且 进一 步提供在操作条件下可在宽的变化范围上进行补偿的校正。
还希望提供一种旋转速度传感器，其较小、制造成本低，适于较宽范围 的应用，并且易于与微电子装置整合。这种适应性优选地包括调整传感器带 宽的能力以及从多个传感器提供均衡输出的能力。
4振动传感器对振动敏感，对外来振动和可以反射回传感器中的自己产生 的振动都敏感。因此，希望使旋转速度陀螺仪与这种振动隔离。最好，这种 隔离用简单和有效的悬持系统实现，该系统具有最少的零件，没有使隔离复
杂化和有损传感器寿命的不必要的通信和供电的导线。
还希望提供可以存储产品特定校准值和种子值，以加速启动整定时间的 旋转速度传感器。
本发明致力于提供这些优点。
发明内容
本发明的优选实施例包括一个集成在隔离的旋转速度传感器上的一个 数字处理电路。该数字处理电路包括用于外部确定的和内部确定的产品特定 校准值的数字存储器。这些值提供了可改善启动时间的启动过程的种子值， 和提供用于产品特定电子校准的值。该数字处理电路还可将所有输出的数据 转换为数字格式。数字数据利用只需要最少导体的数字通讯协议传输至隔离 的组件和从隔离的组件传出。这可使隔离系统简单和具有最少的零件。使用 4个螺旋形弹簧悬持元件来传导数据和电力，使得不需要用于数字通讯的附 加的导线。
附图说明
图1是振动组件100的分解视图；
图2是梁元件150的俯视图；
图3示出组装好的振动组件；
图4是示出反相运动的振动组件100的侧视图；
图5是透视图，其示出响应于绕X和/或Y轴旋转的振动组件100的运 动，所述运动被称为"检测模式"；
图6是侧视图，其示出处于"同相"模式中的振动组件IOO的运动；
图7是安装在安装板700上的振动组件100的透视图；
图8是处于分解状态的驱动侧组件800的透视图；
图9是处于分解状态的检测侧组件900的透视图；
图IO是信号PCB IOIO的分解视图；
图11是悬持组件1110的分解视图；
5图12是最终组件1200的分解视图； 图13是ASIC 1030的逻辑示意图;
图14是组合与定标DACs 1340和相邻电路的详细示意图。 具体实施方式
通过所给出的根据本发明原理的示例性旋转速度传感器，本发明的特点 和优势将会通过以下说明而变得更加显而易见。
图1是振动组件100的分解视图，其包括圓柱形永磁体110和120,磁 体保持件130和140,以及平面梁结构件150。磁体110和120优选地如图 所示对齐，具有在共同方向上定向的极，从而使得它们的磁场彼此加强。
图2示出梁结构件150的俯视图。梁结构件150具有轴向对称的六边形 形状，并且包括若干绕Z轴对称折弯的缠绕蜿蜒梁。梁210-265如弹簧臂一 样运作从而在振动组件100中提供恢复力。梁端部上的触点210c-235c提供 两个磁体保持件130和140的安装位置。安装点240m-265m提供用于固定 到外部组件的位置。
参考图1-3,三个蜿蜒梁210, 215和220在触点210c， 215c和220c处 连接到磁体保持件130。磁体保持件140以类似的方式连接到位于梁结构件 150相对侧上的三个交叉的梁端部225c, 230c和235c。这种安装以及在》兹 体保持件130和140中的释放，允许i兹体保持件130和140相对于彼此在梁 结构件150的平面内外自由地移动。具体地，磁体保持件130和140可以沿 Z轴没有干涉地朝向彼此移动一段对振动组件100的运作来说是足够的距 离。
磁体保持件130和140由非磁性材料形成，诸如某种不锈钢，并且连接 到梁结构件150。磁体110和120固定在磁体保持件130和140内部。剩余 的6个蜿蜒梁在安装点240m, 245m， 250m, 255m， 260m, 265m处安装于 夕卜部组件。
在操作中，磁体no和120沿如图4所示的z轴以反相运动被驱动。反 相运动是沿Z轴的受迫谐振正弦运动，其中磁体110和120沿Z轴顺序移动 分开，然后到一起。
通常，通过检测在传感器的旋转参照框架中作用在以线性方向移动的质 量体上的力，振动转速传感器测量传感器的旋转速度。该力通常被称为"科
6里奥利力"，并且用以下公开表示： F科里奥利二-2m(co x v) 1)
其中m是移动物体的质量，v是移动物体的速度向量，co是系统的旋转 角速度。
当振动组件100围绕x或y (或x-y平面中的任何轴）轴旋转时，在垂 直于旋转轴和振动轴的方向上在磁体no和120上作用力，正如公式1所给 出的那样。这个力与旋转的角速度co成比例并且导致在x-y平面中的磁体110 和120的运动。这种运动受到检测从而解出绕x和y轴的旋转速度。更具体 地，参考图4中的坐标系，受迫反相振动的轴线是z轴。当磁体110在所示 的+z方向上移动时，当振动组件100围绕x或y轴旋转时，力产生在移动》兹 体110和120上。如果振动组件100在图4所示的方向"R"上绕x轴旋转 的话，角速度co将会是沿+x轴的向量。这导致磁体110上的力在+y方向上 (根据"右手定律"），并且磁体110的移动在+y方向上。当磁体120在-z 方向上移动时（同时），类似的分析将磁体120上的力解出。当振动組件100 在图4所示的方向"R"上绕x轴旋转时，磁体120上的力处于-y方向，导 致》兹体120的运动在-y方向上。
正如图5所示，振动组件100绕y轴的旋转导致石兹体110和120的运动 平行于x轴并且这种运动的振幅受到检测从而提供对绕y轴的旋转速度的测 量。具体地，磁体IIO和120被示出具有平行于或沿x轴的运动分量，其对 应于绕y轴的传感器的旋转。由于在x-y平面中的运动受到检测从而测量振 动组件100的转速，所以磁体110和120在x-y平面中的运动被称为"检测 运动"。
正如图4中所示和上面讨论的那样，为了建立所需要的振动组件100的 谐振反相运动，磁体110沿z轴以1800Hz的反相模式的谐振频率受到驱动。 这种运动峰值到峰值的振幅大约是50微米，并且所述谐振的特征在于品质 因数"Q"大约是2000。较高的Q代表随着时间系统仅损失小部分的能量， 并且驱动频率与振动组件的谐振的匹配允许以相对4支小的力输入驱动反相 运动。
磁体120响应于磁体110运动获得对称的和应运动。在x-y平面中的非 从动磁体120的运动受到监测从而检测振动组件100绕x轴和y轴的旋转。 或者，通过使用适当的时序，可以驱动并检测相同的磁体或质量体。但是，
7优选实施例允许在驱动和检测功能的设置上有更多的设计。
再次参考图2，梁结构件150提供建立振动结构件100的希望谐振频率 的所需的恢复力。梁结构件150也被设计成在x-y平面中提供径向对称，从 而使得磁体110和120在x-y平面中响应于旋转对称地移动。具体地，梁结 构件150是6交迭轴向对称的。即，如果梁结构件150被分成6个60度的 部分，那么各个部分是相同的，并且它们旋转时也保持相同。这种对称设计 将驱动迹线的未对准误差，交轴误差最小化，并且有利于磁体在x-y平面中 的任何方向上的相等运动。
6个蜿蜒梁210, 215， 220, 225, 230和235在触点210c, 215c, 220c, 225c, 230c和260c处连接到磁体/磁体保持件对。这些梁提供恢复力，该力 建立大约1800Hz的反相模式谐振。在紧凑设计中，梁的蜿蜒形状允许将谐 振频率降低到希望的1800Hz的所需的较长梁长度。
梁结构件150还包括減少不希望的振动模式的设计特征。更具体地，所 述设计将图6中所示振动的同相模式最小化。在同相模式中，磁体110和120 都在+z方向上移动，随后两者都在-z方向上移动。这种操作模式是不希望的， 因为该模式在安装点240m-265m处耦合了在振动组件100内外的非平衡力。 通过设计梁结构件150从而使得同相模式的谐振频率很好地与反相谐振分开 将同相模式最小化。这是通过正确地选择6个梁240-265的长度来实现的， 这6个梁将梁结构件150在安装点240m-265m处连接到外部组件。这些梁 最小化地涉及反相模式，但是涉及同相模式，类似于当音叉臂同相移动时涉 及音叉上的把手的方式。加长这些梁6降低同相模式的谐振频率，这減少了 耦合在同相模式和驱动频率之间的能量，所述驱动频率被选择成与所希望的 反相模式一致。梁240-265的长度已经被选择成导致1400Hz的同相谐振频 率，该频率远低于驱动频率。这种大于20%的差异足以使滤波器消除同相频 率。
梁结构件150具有平面的、单元件设计，这使得其自身易于制造并且具 有若干优选的机械特性。所述平面梁弹性结构可容易地通过化学蚀刻，或通 过各种半导体或微加工制造技术，或通过蚀刻，精细冲切，压制或放电加工
制造。物理蒸气沉积过程，诸如溅射，也可以被用于产生所希望的梁形状。 所希望的是，所述梁结构件150的材料随温度保持恒定的弹性模量，从而使 得振动频率在传感器的操作温度上适当地保持恒定。所述材料优选地是均质
8的，并且适于梁元件150的材料包括金属诸如镍铬恒弹性钢、不锈钢，铍青 铜，弹簧钢或其它适当的合金。替换地，也可以使用石英或硅，并且可以通 过传统的光刻工艺成形。
可以开发其它机构来为本发明的某些实施例提供恢复力，但是，平梁结 构，更具体地是具有各种长度的梁弹簧的蜿蜒梁结构，为本发明的优选实施 例提供了独特优势，例如，因梁结构件150的低损失的均质设计所导致的非 常高的Q。
再参考图5，检测运动响应于由振动组件100的旋转所导致的力矩。检 测运动是正弦运动，该运动以反相运动的频率受到驱动，并且具有与旋转速 度和反相运动的振幅成比例的振幅。被称为"检测模式"的检测运动的自然 谐振频率被选择成接近反相模式的驱动频率。检测模式的自然谐振频率优选 地接近反相模式的驱动频率，在优选实施例中大约是1700Hz。将检测模式 谐振选择成接近从动反相运动的频率放大了检测运动的数量，这是希望的， 因为要检测的运动量非常小。这一频率非常接近反相运动的驱动频率，从而 获得大约10倍的显著的物理谐振放大倍率。如果检测模式谐振被选择成更 才妾近/人动反相运动频率或与/人动反相运动频率相一致的话，那么较高的放大 倍率和灵敏性是可能的。但是，在本设计中，优选的是将多个传感器校准成 同样地响应于类似的输入，因此选择某一频率，其中放大曲线的斜率足够小， 从而使得产品间的变化更易于得到补偿。
梁结构件150因此提供了所希望的反相模式的恢复力，并且允许在垂直 于振动轴的平面中的振动，（被称为"检测运动，，），这种振动受到检测以指 示所述组件的旋转。另外，梁结构件150为反相模式建立起高Q值的谐振（Q 大约是2000 ),并且建立起接近反相模式的被驱动频率的检测模式谐振。
图7示出安装在外部金属安装板700的梁元件。梁结构件150通过将6 个蜿蜒梁240-265的安装点240m-265m (见图2 )紧固到在安装板700的升 高的突起上从而连接到安装板700。这些突起（未示出）在安装板700中作 为不完全的穿孔形成，并且保持梁结构件150离开安装板700大约0.23mm, 从而使得所述梁结构件150的所有梁自由地振动。
图8以分解一见图示出驱动侧组件800。驱动侧组件800将驱动线圈810 靠近磁体110和磁体保持件130定位（如前面图1, 3-7所示），并且包括塑 料驱动模制件820,该模制件整合用于驱动线圈810的定位特征。磁性可透
9过的板WO连接到驱动模制件820的后面从而帮助引导由f兹体110产生的J兹 通线，并且改善驱动线圈810和磁体110之间的耦合。板830还向系统提供
另外的惯性以减少不希望的运动。销840被连接到驱动模制件820并且承载 来自于驱动侧组件800和朝向驱动侧组件800的电信号。
图9以分解视图示出检测侧组件900。检测侧组件900在相对于驱动侧 组件800的梁结构件150的一侧上靠近磁体120安装。两对检测线圈910和 915连接到检测模制件920。两对平的、椭圓形检测线圈以90度间隔定向， 并且当完全组装时被定位成很接近磁体130。线圈910和915中的每一个都 安装在x-y平面中，并且被用于检测磁体120在x-y平面中的运动，其中一 对检测沿x轴的运动，另一对检测沿y轴的运动。具体地，参考图9中所示 的x-y轴，4全测线圈910被定向成使得沿x轴的移动i兹体120逐渐在一个线 圈中增加磁通量，而在另一中减少磁通量，信号对应于磁体120的x位置。 线圈的椭圓形状使得它们对于x方向上的移动更^:感。每个线圈对都相反才及 性连接（在相对方向上缠绕），从而使得源自磁体120的从动z轴运动的》兹 通量变化通常被抵消，但是沿x轴的运动会被增加。
图10是信号印刷电路板（PCB)1010的分解视图。连接到信号PCBIOIO 的是电可擦除可编程只读存储器（EEPROM) 1020以及特定用途集成电^各
(ASIC ) 1030。电容性屏蔽板1040连接于信号PCB1010并且防止检测线圈 910和915之间以及信号PCB1010上各迹线和插脚之间的电容性耦合。电容 性屏蔽板1040由导电且非磁性的材料形成，诸如磷青铜。AGC线圈1050 连接到信号PCB1010的背侧。正如以下更详细描述的那样，AGC线圈1050 检测沿z轴的从动反相运动的振幅和精确相位，并且提供用于驱动、误差校 正以及信号解调电路的反馈。线圈810, 910, 915和1050由围绕芯轴缠绕 诸如铜的绝缘导线制成，所述芯轴在以后将会被去除。线圈也可以通过在若 干PCB层上形成螺旋迹线从而产生线圈结构，或者通过在基底上沉积金属 薄膜然后用光刻方法蚀刻线圈而形成。本设计的一个优势在于其适用于扁平 线圈，该线圈不贵并且易于制造。可选地，为了驱动和检测所述振动运动也 可以使用其它类型的转换器。
图11是悬持组件1110的分解视图。驱动侧组件800经由舌片710连接 到安装板700。安装板700还经由舌片720进一步连接到检测侧组件900。 最终紧凑的整合组件将驱动线圈810很靠近磁体IIO定位；而AGC线圏1050
10和检测线圈910和915被定位成靠近磁体120。各种跨接销被连接（钎焊接） 到信号PCB1010中以建立起通过悬持组件1110的电通路。
图12是最终组件1200的分解示图。基座组件1210包括塑料注射模制 部件，基底模制件1220,其具有4个连接其上的插脚1225。导电金属腹板 1230连接到基底模制件1220。以硅橡胶模制的垫片1240被插入在基底模制 件1220和腹板1230之间，如图所示。四个螺旋弹簧1250连接到插脚1225。 螺旋弹簧1250是由导电材料制成的，所述导电材料被缠绕成螺旋形状。悬 持组件1110被定位在4个螺旋弹簧1250上，并且通过钎焊、焊接、铜焊或 机械紧固进行连接。
螺旋弹簧1250执行两个功能。首先，四个导电弹簧被用于使电信号在 信号PCB1010和基底模制件1220之间通过。另外，弹簧1250在悬持组件 1110和基底;f莫制件1220之间提供振动隔离。这种隔离防止了不希望的振动 (线性加速、质量不匹配的影响）被耦合到振动组件100。最后，罐体1260 随后被连接到腹板1230以形成封闭的容器从而将传感器与不希望的干涉源 屏蔽开。
垫片1240形成抵靠着罐体的密封从而防止潮湿进入组件。
现在参考图13, ASIC1030执行对于转速传感器的信号处理。 EEPROM1020存储由ASIC1030使用的各种校准参数以及其它数据。图13 是ASIC1030的电子系统的逻辑示意图。
最终组件1200中的线圈810, 910, 915和1050示出在转换器部分1305 中。通过向驱动线圈810施加交流驱动电流（DP-DM)，振动组件100以其 自然谐振频率受到驱动。这在振动组件100中沿z轴产生正弦运动，该运动 由AGC线圈1050检测到。AGC线圏1050产生正弦AGC信号（AGP-AGM), 该信号具有的振幅大小可沿z轴提供振动组件100的所希望的物理振动幅 度。驱动电流的频率和相位被调整成与反相模式中的振动组件IOO的频率一 致从而使从动运动最大化。偏航运动（关于x轴）由检测线圈910检测，该 检测线圈910产生偏航信号（YWP-YWM )。类似地，俯仰运动（关于y轴） 由检测线圈915检测，该检测线圈产生俯仰信号（PWP-PWM )。
振动振荡器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利用芯片上的转换电阻器将来自于线圈910, 915和1050的低电平电压信号转换成差动电流。这些前置放大器具有最小的
ii相位延迟特性，这保留了由ASIC1030所使用的偏航、俯仰以及AGC信号 之间的精确相位关系。可选地，可以匹配相位特性。在任一种情况下，这些 信号之间的相位关系被精确地保留下来。
差动模拟AGC信号（AGP-AGM )被耦合到AGC前置放大器以及振动 振荡器1310。振动振荡器1310以及AGC前置放大器的振动振荡部分通过 使用从AGC线圈1030的AGC信号（AGP-AGM )来的相位和振幅反馈向 驱动线圈810施加驱动电流（DP-DM)，以其谐4展频率驱动^展动组件100。 AGC信号（AGP-AGM )在每半个循环上积分并且所述结果与来自于温度补 偿带间隙参照（BG)的电压参照进行比较，并且所述差异被用于在DP和 DM输出处建立适当大小的回转限制驱动信号。信号（DP-DM)具有大体方 波的波形并且名义上与AGC信号同相。所述模拟差动AGC信号 (AGP-AGM )被放大并且作为信号（AG1P-AG1M)输出到组合定标 DACsl340。响应于AGC信号的零交越，相位参照信号ADPCOMP也被提 供给ADC时钟合成器以及计数器1325。
组合定标DACsl340调节模拟偏航（YWP-YWM )和俯仰（PWP-PYM ) ;险测信号，以从前置放大器提供dc偏移去除，从而去除寄生积分误差信号， 并且去除交叉轴误差以补偿产品间的变化，从而使得被提交到ADC模块的 信号相对于产品间的变化被标准化。DC偏移以及寄生的积分误差信号由相 等和相反的模拟信号的模拟相加而被去除，相等和相反的模拟信号是使用存 储于串行接口和RAM1355中的数字寄存器中的校准数据由可编程数模转换 器（DACs)合成的。交轴误差以相似的方式被补偿，但是直接利用检测通 道信号作为参照。应当注意的是，与定标DACsl340以及串行接口和 RAMI355互连的COMCAL总线向定标DACsl340提供到达串行4妄口和 RAM1355的PINPH, POFST, PCAX, PSF, YINPH， YOFST, YCAX以 及YSF寄存器的通路。这些寄存器的使用将在以下详细讨论。
图14是组合定标DACsl340和相连电路的详细示意图。偏航输入信号 是跨过偏航输入脚YWP和YWM的差动电压。差动模拟偏航信号 (YWP-YWM)是一种组合信号，其包括所希望的偏航旋转速度信号以及不 希望的误差信号。具体地：
^"w=r(T『尸」-^r;rfrM」（公式2)
描述了希望和误差成份的偏航信号的理论定义，为：
12-f^a&Kw+MACyaw,沐KS7^COSY27T，vA(乂〉式3) 这个公式中的SIN项是同相信号（相对于AGC信号），其是不希望的误 差成份，来自于从动振动运动的转换器不对齐。InphYaw被定义为同相偏航 信号的振幅。这个误差是通过将由YINPH DAC 1410所提供的相等且相反的 信号在相加器14110中加到检测的偏航信号（YWP-YWM)中而被去除的。 YINPH DAC 1410随AGC信号（AGP-AGM )定标其输出，该输出乘以YINPH 校准参数。通过在数字化前修正检测信号，并且通过直接使用模拟AGC信 号来保留振动运动和检测运动之间的相位关系，同相误差成份被极大地減少 了。
第一 COS项是不希望的误差信号，其来自于偏航和俯仰轴之间的耦合。 CrossYaw被定义为这一交轴（俯仰）误差信号的振幅。这一交轴误差是通 过将相等且相反的信号在相加器14110中加到检测的偏航信号 (YWP-YWM)中而得以补偿的。由YCAX DAC 1430提供校正信号，YCAX DAC 1430随俯仰信号（PWP-PYM )定标其输出，并且乘以YCAX ^t准参数。 通过在数字化前修正检测信号，并且通过直接使用模拟俯仰信号来保留误差 源和;欧正信号之间的相位关系，交轴误差成伤"陂极大地减少了 。
第二个COS项包括希望的信号，其由偏航角速度调制。这个信号指示 希望的振动组件100的角偏航速度运动。但是，这项也包括来自于对齐误差 的不希望的机械速度偏移（MROyaw )。
组合定标DACsl340的俯仰信号部分的操作类似于参照偏航信号电路的 描述。DAC数字校准寄存器中的数字式数值为DAC提供了定标因子。在表 格1中全面地提供了对每一补偿误差，补偿信号源的进一步描述，误差起因， 以及对应于稳态信号定义的描述。
DAC数字校 被补偿的误 补偿信号源 误差起因的 涉及稳态信
准寄存器 差的说明 说明 号定义
13table see original document page 14table see original document page 15在误差信号通过在相加器14110处的模拟相加被电去除之后，希望的偏 航检测信号在混合器14140处以余弦信号（与AGC信号差四分之一周期） 被解调从而解调所希望的偏航信号并且进一步去除剩余的不希望的正弦成 份。混合器14140可以有选择地以正弦信号或dc信号解调偏航检测信号。 这些模式被用于确定校准数值，正如下面所述的那样。
图2是梁元件150的俯视图；
图3示出组装好的振动组件；
图4是示出反相运动的振动组件100的侧视图；
图5是透视图，其示出响应于绕X和/或Y轴旋转的振动组件100的运 动，所述运动被称为"检测模式"；
图6是侧视图，其示出处于"同相"模式中的振动组件IOO的运动；
图7是安装在安装板700上的振动组件100的透视图；
图8是处于分解状态的驱动侧组件800的透视图；
图9是处于分解状态的检测侧组件900的透视图；
图IO是信号PCB IOIO的分解视图；
图11是悬持组件1110的分解视图；
5图12是最终组件1200的分解视图； 图13是ASIC 1030的逻辑示意图;
图14是组合与定标DACs 1340和相邻电路的详细示意图。 具体实施方式
通过所给出的根据本发明原理的示例性旋转速度传感器，本发明的特点 和优势将会通过以下说明而变得更加显而易见。
图1是振动组件100的分解视图，其包括圓柱形永磁体110和120,磁 体保持件130和140,以及平面梁结构件150。磁体110和120优选地如图 所示对齐，具有在共同方向上定向的极，从而使得它们的磁场彼此加强。
图2示出梁结构件150的俯视图。梁结构件150具有轴向对称的六边形 形状，并且包括若干绕Z轴对称折弯的缠绕蜿蜒梁。梁210-265如弹簧臂一 样运作从而在振动组件100中提供恢复力。梁端部上的触点210c-235c提供 两个磁体保持件130和140的安装位置。安装点240m-265m提供用于固定 到外部组件的位置。
参考图1-3,三个蜿蜒梁210, 215和220在触点210c， 215c和220c处 连接到磁体保持件130。磁体保持件140以类似的方式连接到位于梁结构件 150相对侧上的三个交叉的梁端部225c, 230c和235c。这种安装以及在》兹 体保持件130和140中的释放，允许i兹体保持件130和140相对于彼此在梁 结构件150的平面内外自由地移动。具体地，磁体保持件130和140可以沿 Z轴没有干涉地朝向彼此移动一段对振动组件100的运作来说是足够的距 离。
磁体保持件130和140由非磁性材料形成，诸如某种不锈钢，并且连接 到梁结构件150。磁体110和120固定在磁体保持件130和140内部。剩余 的6个蜿蜒梁在安装点240m, 245m， 250m, 255m， 260m, 265m处安装于 夕卜部组件。
在操作中，磁体no和120沿如图4所示的z轴以反相运动被驱动。反 相运动是沿Z轴的受迫谐振正弦运动，其中磁体110和120沿Z轴顺序移动 分开，然后到一起。
通常，通过检测在传感器的旋转参照框架中作用在以线性方向移动的质 量体上的力，振动转速传感器测量传感器的旋转速度。该力通常被称为"科
6里奥利力"，并且用以下公开表示： F科里奥利二-2m(co x v) 1)
其中m是移动物体的质量，v是移动物体的速度向量，co是系统的旋转 角速度。
当振动组件100围绕x或y (或x-y平面中的任何轴）轴旋转时，在垂 直于旋转轴和振动轴的方向上在磁体no和120上作用力，正如公式1所给 出的那样。这个力与旋转的角速度co成比例并且导致在x-y平面中的磁体110 和120的运动。这种运动受到检测从而解出绕x和y轴的旋转速度。更具体 地，参考图4中的坐标系，受迫反相振动的轴线是z轴。当磁体110在所示 的+z方向上移动时，当振动组件100围绕x或y轴旋转时，力产生在移动》兹 体110和120上。如果振动组件100在图4所示的方向"R"上绕x轴旋转 的话，角速度co将会是沿+x轴的向量。这导致磁体110上的力在+y方向上 (根据"右手定律"），并且磁体110的移动在+y方向上。当磁体120在-z 方向上移动时（同时），类似的分析将磁体120上的力解出。当振动組件100 在图4所示的方向"R"上绕x轴旋转时，磁体120上的力处于-y方向，导 致》兹体120的运动在-y方向上。
正如图5所示，振动组件100绕y轴的旋转导致石兹体110和120的运动 平行于x轴并且这种运动的振幅受到检测从而提供对绕y轴的旋转速度的测 量。具体地，磁体IIO和120被示出具有平行于或沿x轴的运动分量，其对 应于绕y轴的传感器的旋转。由于在x-y平面中的运动受到检测从而测量振 动组件100的转速，所以磁体110和120在x-y平面中的运动被称为"检测 运动"。
正如图4中所示和上面讨论的那样，为了建立所需要的振动组件100的 谐振反相运动，磁体110沿z轴以1800Hz的反相模式的谐振频率受到驱动。 这种运动峰值到峰值的振幅大约是50微米，并且所述谐振的特征在于品质 因数"Q"大约是2000。较高的Q代表随着时间系统仅损失小部分的能量， 并且驱动频率与振动组件的谐振的匹配允许以相对4支小的力输入驱动反相 运动。
磁体120响应于磁体110运动获得对称的和应运动。在x-y平面中的非 从动磁体120的运动受到监测从而检测振动组件100绕x轴和y轴的旋转。 或者，通过使用适当的时序，可以驱动并检测相同的磁体或质量体。但是，
7优选实施例允许在驱动和检测功能的设置上有更多的设计。
再次参考图2，梁结构件150提供建立振动结构件100的希望谐振频率 的所需的恢复力。梁结构件150也被设计成在x-y平面中提供径向对称，从 而使得磁体110和120在x-y平面中响应于旋转对称地移动。具体地，梁结 构件150是6交迭轴向对称的。即，如果梁结构件150被分成6个60度的 部分，那么各个部分是相同的，并且它们旋转时也保持相同。这种对称设计 将驱动迹线的未对准误差，交轴误差最小化，并且有利于磁体在x-y平面中 的任何方向上的相等运动。
6个蜿蜒梁210, 215， 220, 225, 230和235在触点210c, 215c, 220c, 225c, 230c和260c处连接到磁体/磁体保持件对。这些梁提供恢复力，该力 建立大约1800Hz的反相模式谐振。在紧凑设计中，梁的蜿蜒形状允许将谐 振频率降低到希望的1800Hz的所需的较长梁长度。
梁结构件150还包括減少不希望的振动模式的设计特征。更具体地，所 述设计将图6中所示振动的同相模式最小化。在同相模式中，磁体110和120 都在+z方向上移动，随后两者都在-z方向上移动。这种操作模式是不希望的， 因为该模式在安装点240m-265m处耦合了在振动组件100内外的非平衡力。 通过设计梁结构件150从而使得同相模式的谐振频率很好地与反相谐振分开 将同相模式最小化。这是通过正确地选择6个梁240-265的长度来实现的， 这6个梁将梁结构件150在安装点240m-265m处连接到外部组件。这些梁 最小化地涉及反相模式，但是涉及同相模式，类似于当音叉臂同相移动时涉 及音叉上的把手的方式。加长这些梁6降低同相模式的谐振频率，这減少了 耦合在同相模式和驱动频率之间的能量，所述驱动频率被选择成与所希望的 反相模式一致。梁240-265的长度已经被选择成导致1400Hz的同相谐振频 率，该频率远低于驱动频率。这种大于20%的差异足以使滤波器消除同相频 率。
梁结构件150具有平面的、单元件设计，这使得其自身易于制造并且具 有若干优选的机械特性。所述平面梁弹性结构可容易地通过化学蚀刻，或通 过各种半导体或微加工制造技术，或通过蚀刻，精细冲切，压制或放电加工
制造。物理蒸气沉积过程，诸如溅射，也可以被用于产生所希望的梁形状。 所希望的是，所述梁结构件150的材料随温度保持恒定的弹性模量，从而使 得振动频率在传感器的操作温度上适当地保持恒定。所述材料优选地是均质
8的，并且适于梁元件150的材料包括金属诸如镍铬恒弹性钢、不锈钢，铍青 铜，弹簧钢或其它适当的合金。替换地，也可以使用石英或硅，并且可以通 过传统的光刻工艺成形。
可以开发其它机构来为本发明的某些实施例提供恢复力，但是，平梁结 构，更具体地是具有各种长度的梁弹簧的蜿蜒梁结构，为本发明的优选实施 例提供了独特优势，例如，因梁结构件150的低损失的均质设计所导致的非 常高的Q。
再参考图5，检测运动响应于由振动组件100的旋转所导致的力矩。检 测运动是正弦运动，该运动以反相运动的频率受到驱动，并且具有与旋转速 度和反相运动的振幅成比例的振幅。被称为"检测模式"的检测运动的自然 谐振频率被选择成接近反相模式的驱动频率。检测模式的自然谐振频率优选 地接近反相模式的驱动频率，在优选实施例中大约是1700Hz。将检测模式 谐振选择成接近从动反相运动的频率放大了检测运动的数量，这是希望的， 因为要检测的运动量非常小。这一频率非常接近反相运动的驱动频率，从而 获得大约10倍的显著的物理谐振放大倍率。如果检测模式谐振被选择成更 才妾近/人动反相运动频率或与/人动反相运动频率相一致的话，那么较高的放大 倍率和灵敏性是可能的。但是，在本设计中，优选的是将多个传感器校准成 同样地响应于类似的输入，因此选择某一频率，其中放大曲线的斜率足够小， 从而使得产品间的变化更易于得到补偿。
梁结构件150因此提供了所希望的反相模式的恢复力，并且允许在垂直 于振动轴的平面中的振动，（被称为"检测运动，，），这种振动受到检测以指 示所述组件的旋转。另外，梁结构件150为反相模式建立起高Q值的谐振（Q 大约是2000 ),并且建立起接近反相模式的被驱动频率的检测模式谐振。
图7示出安装在外部金属安装板700的梁元件。梁结构件150通过将6 个蜿蜒梁240-265的安装点240m-265m (见图2 )紧固到在安装板700的升 高的突起上从而连接到安装板700。这些突起（未示出）在安装板700中作 为不完全的穿孔形成，并且保持梁结构件150离开安装板700大约0.23mm, 从而使得所述梁结构件150的所有梁自由地振动。
图8以分解一见图示出驱动侧组件800。驱动侧组件800将驱动线圈810 靠近磁体110和磁体保持件130定位（如前面图1, 3-7所示），并且包括塑 料驱动模制件820,该模制件整合用于驱动线圈810的定位特征。磁性可透
9过的板WO连接到驱动模制件820的后面从而帮助引导由f兹体110产生的J兹 通线，并且改善驱动线圈810和磁体110之间的耦合。板830还向系统提供
另外的惯性以减少不希望的运动。销840被连接到驱动模制件820并且承载 来自于驱动侧组件800和朝向驱动侧组件800的电信号。
图9以分解视图示出检测侧组件900。检测侧组件900在相对于驱动侧 组件800的梁结构件150的一侧上靠近磁体120安装。两对检测线圈910和 915连接到检测模制件920。两对平的、椭圓形检测线圈以90度间隔定向， 并且当完全组装时被定位成很接近磁体130。线圈910和915中的每一个都 安装在x-y平面中，并且被用于检测磁体120在x-y平面中的运动，其中一 对检测沿x轴的运动，另一对检测沿y轴的运动。具体地，参考图9中所示 的x-y轴，4全测线圈910被定向成使得沿x轴的移动i兹体120逐渐在一个线 圈中增加磁通量，而在另一中减少磁通量，信号对应于磁体120的x位置。 线圈的椭圓形状使得它们对于x方向上的移动更^:感。每个线圈对都相反才及 性连接（在相对方向上缠绕），从而使得源自磁体120的从动z轴运动的》兹 通量变化通常被抵消，但是沿x轴的运动会被增加。
图10是信号印刷电路板（PCB)1010的分解视图。连接到信号PCBIOIO 的是电可擦除可编程只读存储器（EEPROM) 1020以及特定用途集成电^各
(ASIC ) 1030。电容性屏蔽板1040连接于信号PCB1010并且防止检测线圈 910和915之间以及信号PCB1010上各迹线和插脚之间的电容性耦合。电容 性屏蔽板1040由导电且非磁性的材料形成，诸如磷青铜。AGC线圈1050 连接到信号PCB1010的背侧。正如以下更详细描述的那样，AGC线圈1050 检测沿z轴的从动反相运动的振幅和精确相位，并且提供用于驱动、误差校 正以及信号解调电路的反馈。线圈810, 910, 915和1050由围绕芯轴缠绕 诸如铜的绝缘导线制成，所述芯轴在以后将会被去除。线圈也可以通过在若 干PCB层上形成螺旋迹线从而产生线圈结构，或者通过在基底上沉积金属 薄膜然后用光刻方法蚀刻线圈而形成。本设计的一个优势在于其适用于扁平 线圈，该线圈不贵并且易于制造。可选地，为了驱动和检测所述振动运动也 可以使用其它类型的转换器。
图11是悬持组件1110的分解视图。驱动侧组件800经由舌片710连接 到安装板700。安装板700还经由舌片720进一步连接到检测侧组件900。 最终紧凑的整合组件将驱动线圈810很靠近磁体IIO定位；而AGC线圏1050
10和检测线圈910和915被定位成靠近磁体120。各种跨接销被连接（钎焊接） 到信号PCB1010中以建立起通过悬持组件1110的电通路。
图12是最终组件1200的分解示图。基座组件1210包括塑料注射模制 部件，基底模制件1220,其具有4个连接其上的插脚1225。导电金属腹板 1230连接到基底模制件1220。以硅橡胶模制的垫片1240被插入在基底模制 件1220和腹板1230之间，如图所示。四个螺旋弹簧1250连接到插脚1225。 螺旋弹簧1250是由导电材料制成的，所述导电材料被缠绕成螺旋形状。悬 持组件1110被定位在4个螺旋弹簧1250上，并且通过钎焊、焊接、铜焊或 机械紧固进行连接。
螺旋弹簧1250执行两个功能。首先，四个导电弹簧被用于使电信号在 信号PCB1010和基底模制件1220之间通过。另外，弹簧1250在悬持组件 1110和基底;f莫制件1220之间提供振动隔离。这种隔离防止了不希望的振动 (线性加速、质量不匹配的影响）被耦合到振动组件100。最后，罐体1260 随后被连接到腹板1230以形成封闭的容器从而将传感器与不希望的干涉源 屏蔽开。
垫片1240形成抵靠着罐体的密封从而防止潮湿进入组件。
现在参考图13, ASIC1030执行对于转速传感器的信号处理。 EEPROM1020存储由ASIC1030使用的各种校准参数以及其它数据。图13 是ASIC1030的电子系统的逻辑示意图。
最终组件1200中的线圈810, 910, 915和1050示出在转换器部分1305 中。通过向驱动线圈810施加交流驱动电流（DP-DM)，振动组件100以其 自然谐振频率受到驱动。这在振动组件100中沿z轴产生正弦运动，该运动 由AGC线圈1050检测到。AGC线圏1050产生正弦AGC信号（AGP-AGM), 该信号具有的振幅大小可沿z轴提供振动组件100的所希望的物理振动幅 度。驱动电流的频率和相位被调整成与反相模式中的振动组件IOO的频率一 致从而使从动运动最大化。偏航运动（关于x轴）由检测线圈910检测，该 检测线圈910产生偏航信号（YWP-YWM )。类似地，俯仰运动（关于y轴） 由检测线圈915检测，该检测线圈产生俯仰信号（PWP-PWM )。
振动振荡器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利用芯片上的转换电阻器将来自于线圈910, 915和1050的低电平电压信号转换成差动电流。这些前置放大器具有最小的
ii相位延迟特性，这保留了由ASIC1030所使用的偏航、俯仰以及AGC信号 之间的精确相位关系。可选地，可以匹配相位特性。在任一种情况下，这些 信号之间的相位关系被精确地保留下来。
差动模拟AGC信号（AGP-AGM )被耦合到AGC前置放大器以及振动 振荡器1310。振动振荡器1310以及AGC前置放大器的振动振荡部分通过 使用从AGC线圈1030的AGC信号（AGP-AGM )来的相位和振幅反馈向 驱动线圈810施加驱动电流（DP-DM)，以其谐4展频率驱动^展动组件100。 AGC信号（AGP-AGM )在每半个循环上积分并且所述结果与来自于温度补 偿带间隙参照（BG)的电压参照进行比较，并且所述差异被用于在DP和 DM输出处建立适当大小的回转限制驱动信号。信号（DP-DM)具有大体方 波的波形并且名义上与AGC信号同相。所述模拟差动AGC信号 (AGP-AGM )被放大并且作为信号（AG1P-AG1M)输出到组合定标 DACsl340。响应于AGC信号的零交越，相位参照信号ADPCOMP也被提 供给ADC时钟合成器以及计数器1325。
组合定标DACsl340调节模拟偏航（YWP-YWM )和俯仰（PWP-PYM ) ;险测信号，以从前置放大器提供dc偏移去除，从而去除寄生积分误差信号， 并且去除交叉轴误差以补偿产品间的变化，从而使得被提交到ADC模块的 信号相对于产品间的变化被标准化。DC偏移以及寄生的积分误差信号由相 等和相反的模拟信号的模拟相加而被去除，相等和相反的模拟信号是使用存 储于串行接口和RAM1355中的数字寄存器中的校准数据由可编程数模转换 器（DACs)合成的。交轴误差以相似的方式被补偿，但是直接利用检测通 道信号作为参照。应当注意的是，与定标DACsl340以及串行接口和 RAMI355互连的COMCAL总线向定标DACsl340提供到达串行4妄口和 RAM1355的PINPH, POFST, PCAX, PSF, YINPH， YOFST, YCAX以 及YSF寄存器的通路。这些寄存器的使用将在以下详细讨论。
图14是组合定标DACsl340和相连电路的详细示意图。偏航输入信号 是跨过偏航输入脚YWP和YWM的差动电压。差动模拟偏航信号 (YWP-YWM)是一种组合信号，其包括所希望的偏航旋转速度信号以及不 希望的误差信号。具体地：
^"w=r(T『尸」-^r;rfrM」（公式2)
描述了希望和误差成份的偏航信号的理论定义，为：
12-f^a&Kw+MACyaw,沐KS7^COSY27T，vA(乂〉式3) 这个公式中的SIN项是同相信号（相对于AGC信号），其是不希望的误 差成份，来自于从动振动运动的转换器不对齐。InphYaw被定义为同相偏航 信号的振幅。这个误差是通过将由YINPH DAC 1410所提供的相等且相反的 信号在相加器14110中加到检测的偏航信号（YWP-YWM)中而被去除的。 YINPH DAC 1410随AGC信号（AGP-AGM )定标其输出，该输出乘以YINPH 校准参数。通过在数字化前修正检测信号，并且通过直接使用模拟AGC信 号来保留振动运动和检测运动之间的相位关系，同相误差成份被极大地減少 了。
第一 COS项是不希望的误差信号，其来自于偏航和俯仰轴之间的耦合。 CrossYaw被定义为这一交轴（俯仰）误差信号的振幅。这一交轴误差是通 过将相等且相反的信号在相加器14110中加到检测的偏航信号 (YWP-YWM)中而得以补偿的。由YCAX DAC 1430提供校正信号，YCAX DAC 1430随俯仰信号（PWP-PYM )定标其输出，并且乘以YCAX ^t准参数。 通过在数字化前修正检测信号，并且通过直接使用模拟俯仰信号来保留误差 源和;欧正信号之间的相位关系，交轴误差成伤"陂极大地减少了 。
第二个COS项包括希望的信号，其由偏航角速度调制。这个信号指示 希望的振动组件100的角偏航速度运动。但是，这项也包括来自于对齐误差 的不希望的机械速度偏移（MROyaw )。
组合定标DACsl340的俯仰信号部分的操作类似于参照偏航信号电路的 描述。DAC数字校准寄存器中的数字式数值为DAC提供了定标因子。在表 格1中全面地提供了对每一补偿误差，补偿信号源的进一步描述，误差起因， 以及对应于稳态信号定义的描述。
DAC数字校 被补偿的误 补偿信号源 误差起因的 涉及稳态信
准寄存器 差的说明 说明 号定义
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