微机电陀螺仪

摘要

本发明是有关一种微机电陀螺仪，其包含多个感测模块感测三轴向的角速度，多个外框设置于该些感测模块的外侧，多个驱动轴分别设置于该些外框之间，该些驱动轴分别以一第一可挠性连接件与一第二可挠性连接件连接二相邻外框，再由该些外框经多个传动元件连接该些感测模块，藉此提供三轴感测。

权利要求

1.一种微机电陀螺仪，其特征在于，其包含：

多个感测模块，供感测三轴向的角速度；

多个外框，设置于该些感测模块外侧，并分别经一传动元件连接该些感测模块；以及多个驱动轴，分别设置该些外框之间，该些驱动轴分别经一第一可挠性连接件与一第二可挠性连接件连接该些外框中的二相邻外框；

其中，该些外框受该些驱动轴向内挤压或向外扩张而形成往复运动，且带动其中两感测模块分别沿一第一轴向及一第二轴向往复运动，该第一轴向垂直于该第二轴向。

2.如权利要求1所述的微机电陀螺仪，其中该些感测模块分别包含：一驱动结构，经该传动元件连接对应的该外框；

一质量块，位于该驱动结构的内侧，经至少一可挠性连接件连接该驱动结构。

3.如权利要求2所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中：该传动元件在平行于外框与驱动结构的连接方向刚性较佳，且该传动元件在垂直于外框与驱动结构的连接方向上具可挠性。

4.如权利要求2所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中：外框与驱动结构之间设有一抑制件，该抑制件连接外框与驱动结构，该抑制件在平行于外框与驱动结构的连接方向具可挠性，且该传动元件在垂直于外框与驱动结构的连接方向上刚性较佳。

5.如权利要求2所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中该些感测模块分别另包含：一第一感测元件，设置于该质量块上；以及

一第二感测元件，设置于该质量块上，该第一感测元件与该第二感测元件感测不同轴向的角速度。

6.如权利要求1所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中另包含：一固定点，该固定点与该些感测模块之间分别设有一耦合件，以提供缓冲空间使该些感测模块能够被驱动以相对该固定点运动。

7.如权利要求1所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中：该些驱动轴的分别形成一延伸部，该延伸部延伸超出二侧相邻的外框，且该延伸部分别连接该第一可挠性连接件与该第二可挠性连接件。

8.如权利要求1所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中：该些驱动轴的不同端面分别延伸出一第一延伸部与一第二延伸部，且该第一延伸部与相邻的外框的距离不同于该第二延伸部相邻的另一外框的距离，该第一延伸部连接该第一可挠性连接件，该第二延伸部连接该第二可挠性连接件。

9.如权利要求1所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中：其中一外框包含一第一边框、一增幅边框与一第二边框，该第一边框的一端为连接该第一可挠性连接件，该第一边框的另一端连接该增幅边框的一端，该增幅边框的另一端连接该第二边框的一端，其中一感测模块经由其中一传动元件连接该增幅边框。

10.如权利要求9所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中：该增幅边框与该传动元件的连接位置位于该第一边框与该第二边框的连线外侧。

11.如权利要求9所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中：该增幅边框与该传动元件的连接位置位于该第一边框与该第二边框的连线内侧。

12.如权利要求1项所述的微机电陀螺仪，其特征在于，其中更包含:多个驱动杆件，分别经一第三可挠性连接件与一第四可挠性连接件连接该些个驱动轴，每一驱动杆件经数驱动器致动以沿其径向作动。

说明书

微机电陀螺仪

技术领域

[0001] 本发明是有关一种传感器，尤其是一种微机电陀螺仪，其提供三轴角速度测定功能。

背景技术

[0002] 微机电(Microelectromechanical Systems,MEMS)陀螺仪通常用于测定一系统于x‑y‑z坐标轴中每一轴在线的旋转运动，其中当一质量块沿着一轴向线性运动并且该承受一角速度时，该质量块得以感应到一科氏力(Coriolis Force)。该力驱使质量块在与该轴向垂直的方向上产生位移，进而供感测该质量块承受的角度速值。然而，该质量块无法感测与该轴向平行的旋转，因此如果要感测三轴角速度，至少必须提供二组沿不同方向运动的质量块，然而如何在微小的微机电构造中稳定驱动质量块沿不同方向运动，又能将微机电陀螺仪的成本控制在合理范围，同时还要避免噪声、非理想讯号影响感测结果，成为各家厂商亟欲解决的问题。

[0003] 基于上述的问题，本发明提供一种微机电陀螺仪，其藉由外框耦合微机电陀螺仪所承受的外力，进而提高三轴测定的精确度，解决上述的问题。

发明内容

[0004] 本发明的一目的，在于提供一种微机电陀螺仪，其藉由多个驱动轴设置于多个外框之间，该些驱动轴透过可挠性连接件连接所有外框，并由该些外框经多个传动件连接多个感测模块，故，所有外框经该些驱动轴所连接的可挠性连接件耦合，以耦合该些驱动轴所提供的外力。

[0005] 本发明揭示了一种微机电陀螺仪，其包含多个感测模块，感测三轴向的角速度；多个外框设置于该些感测模块的外侧，经多个传动元件连接该些感测模块；以及多个驱动轴分别设置该些外框之间，该些驱动轴分别经一第一可挠性连接件与一第二可挠性连接件连接该些外框的二相邻外框。藉此，所有外框之间分别经该第一可挠性连接件与该第二可挠性连接件而耦合该些驱动轴所提供的外力，进而提高三轴测定的精确度。

附图说明

[0006] 图1：其为本发明的微机电陀螺仪的一实施例的结构示意图；

[0007] 图2：其为本发明的微机电陀螺仪的一实施例的驱动示意图；

[0008] 图3：其为本发明的微机电陀螺仪的另一实施例的结构示意图；

[0009] 图4：其为本发明的微机电陀螺仪的另一实施例的结构示意图；

[0010] 图5：其为本发明的微机电陀螺仪的另一实施例的结构示意图；

[0011] 图6：其为本发明的微机电陀螺仪的另一实施例的驱动示意图；以及[0012] 图7：其为本发明的微机电陀螺仪的另一实施例的结构示意图。

[0013] 【图号对照说明】

[0014] 1微机电陀螺仪

[0015] 2微机电陀螺仪

[0016] 10感测模块

[0017] 10A第一感测模块

[0018] 10B第二感测模块

[0019] 12驱动结构

[0020] 14质量块

[0021] 142可挠性连接件

[0022] 16第一感测元件

[0023] 16A第一感测元件

[0024] 16B第一感测元件

[0025] 18第二感测元件

[0026] 18A第二感测元件

[0027] 18B第二感测元件

[0028] 20外框

[0029] 22传动元件

[0030] 24抑制件

[0031] 30驱动轴

[0032] 32梳状单元

[0033] M致动单元

[0034] 34A第一驱动杆件

[0035] 34B第二驱动杆件

[0036] 36A第一驱动器

[0037] 36B第二驱动器

[0038] B1第一缓冲件

[0039] B2第二缓冲件

[0040] C固定点

[0041] E延伸部

[0042] E1第一延伸部

[0043] E2第二延伸部

[0044] F1A第一边框

[0045] F2A增幅边框

[0046] F3A第二边框

[0047] F1B第一边框

[0048] F2B增幅边框

[0049] F3B第二边框

[0050] R旋转抑制件

[0051] SUB基板

[0052] X X轴

[0053] Y Y轴

[0054] Z Z轴

具体实施方式

[0055] 为了使本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，特用较佳的实施例及配合详细的说明，说明如下：

[0056] 在说明书及请求项当中使用了某些词汇指称特定的元件，然，所属本发明技术领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词称呼同一个元件，而且，本说明书及请求项并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在整体技术上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及请求项当中所提及的「包含」、「具有」、「设有」为一开放式用语，故应解释成「包含但不限定于」。再者，「耦接」一词在此包含直接及间接的连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接一第二装置，则代表第一装置可直接连接第二装置，或可透过其他装置或其他连接手段间接地连接至第二装置。

[0057] 以下，将进一步说明本发明揭示一种微机电陀螺仪所包含的特性、所搭配的结构：

[0058] 首先，请参阅图1，其为本发明的微机电陀螺仪的一实施例的结构示意图。如图所示，本发明的微机电陀螺仪1包含多个感测模块10、多个外框20与多个驱动轴30，该些感测模块10中设有质量块，供感测三轴向的角速度，即感测X‑Y‑Z轴的角速度；该些外框20分别设置于该些感测模块10外侧，并经多个传动元件22分别连接该些感测模块10；以及该些驱动轴30分别设置该些外框20之间，该些驱动轴30分别经一第一可挠性连接件C1与一第二可挠性连接件C2连接该些外框20中的二相邻外框。

[0059] 如前所述，如果要感测三轴角速度，至少必须提供二组沿不同方向运动的质量块，因此本发明实施例至少设有第一感测模块10A及第二感测模块10B，且第一感测模块10A及第二感测模块B中的质量块分别被驱使沿Y轴及X轴线性运动。又一般而言，微机电陀螺仪通常会形成对称式构造，因此本发明实施例较佳还设有和第三感测模块10C及第四感测模块10D，且第三感测模块10C和第一感测模块10A中的质量块同样别被驱使沿Y轴线性运动；第四感测模块10D和第二感测模块B中的质量块同样被驱使沿X轴线性运动。第一～第四感测模块10A、10B、10C、10D外侧分别设有外框20A、20B、20C、20D，且四个驱动轴30分别设置该些外框20A、20B、20C、20D之间，并经由第一可挠性连接件C1与一第二可挠性连接件C2该些外框20A、20B、20C、20D。如此所有外框20即可藉由四个驱动轴30上的第一可挠性连接件C1与第二可挠性连接件C2形成连接，以耦合驱动轴30给予的驱动力以及微机电陀螺仪所承受的其他外力。

[0060] 进一步参阅图1，该些感测模块10分别包含一驱动结构12、一质量块14、至少一第一感测元件16及至少一第二感测元件18，本实施例的驱动结构12以框形架构为例说明，惟不以此为限。驱动结构12并经由传动元件22连接对应的外框20。以下针对第一感测模块10A进行说明，其他感测模块10B、10C、10D具有类似的构造仅方向配置不同，恕不逐一复述。第一感测模块10A中的质量块14需要被驱使沿Y轴线性运动，而质量块14是经由驱动结构12被外框20A带动方可沿Y轴线性运动，然而，为了让外框20与驱动结构12能够有效沿Y轴驱动质量块14，在本实施例中，主要利用一传动元件22来连接第一感测模块10A的驱动结构12及外框20A，而传动元件22于Y轴向(平行于外框20A与驱动结构12的连接方向)刚性较佳，且传动元件22于垂直Y轴的X轴向与Z轴向(垂直于外框20A与驱动结构12的连接方向)上具可挠性，因而当外框20A沿Y轴向驱动结构12施力时，可以有效经由驱动结构12沿Y轴驱动质量块14；然而若外框20A形成X轴向或Z轴向上的非理想位移时，传动元件22可以缓冲吸收这些非理想位移，以避免外框20A沿X轴或Z轴朝驱动结构12施力。上述在Y轴向上刚性较佳但在垂直Y轴向的平面上却具可挠性的传动元件22可以由数种构造完成，例如图1中所示的传动元件
22包含以沿Y轴延伸的数个长直构造，使其在Y轴向上刚性较佳；且该数个长直构造以数个弯折部连接而形成立体构造，使其在垂直Y轴向的平面上具可挠性。又或者，以硬直材料配合于Y轴向上较薄的缓冲材质亦可组成具有类似效果的传动元件22，本发明并不以此为限。

[0061] 该传动元件22较佳连接于传动元件22的中央，此外，外框20与驱动结构12之间可以进一步设有至少一抑制件24，该至少一抑制件24可以设置于传动元件22的外侧，且该至少一抑制件24连接外框20与驱动结构12。以下仍然针对第一感测模块10A进行说明，该至少一抑制件24于Y轴向上具可挠性，且于X轴向与Z轴向刚性较佳。据此，透过额外设置抑制件24来连接第一感测模块10A的驱动结构12与外框20A，其允许驱动结构12与外框20A于Y轴向上产生相对位移，但会限制驱动结构12与外框20A于X轴向或Z轴向上产生相对位移，故可以抵消相对于外框20A于X轴向或Z轴向所承受的外力。其中，外框20A两侧的驱动轴30施力不均、行程不同步；或者外框20A承受非预期外力，都有可能使外框20A于X轴向或Z轴向上承受不当外力，而传动元件22与至少一抑制件24的配合可以更有效地缓冲吸收外框20A于X轴向或Z轴向上的非理想位移。上述在Y轴向上具可挠性但在垂直Y轴向的平面上刚性较佳的至少一抑制件24可以由数种构造完成，例如在外框20与驱动结构12设置一固定支点，并且利用可挠性元件连接外框20和固定支点，利用另一可挠性元件连接驱动结构12和固定支点，本发明并不加以限制该至少一抑制件24的细部构造。

[0062] 复参阅图1，质量块14经至少一可挠性连接件142连接至驱动结构12，例如二侧分别以一可挠性连接件142连接驱动结构12，如此质量块14可相对于驱动结构12产生位移。以下仍然针对第一感测模块10A进行说明，一般而言，可挠性连接件142需使第一感测模块10A的质量块14可相对于驱动结构12于X轴向与Z轴向上产生位移，但为了使驱动结构12能够有效率地Y轴驱动质量块14，该可挠性连接件142较佳限制使的质量块14难以相对于驱动结构12于Y轴向上产生位移。而该些第一感测元件16与该些第二感测元件18设置于质量块14上，且其中可包含感应线圈、电极或其他位移感测元件，而感测不同坐标轴系的外力，例如:X轴与Z轴(第一感测模块10A、第三感测模块10C)，或Y轴与Z轴(第二感测模块10B、第四感测模块10D)。进一步地，该些感测模块10连接至一固定点C，位于该些感测模块的相对中心位置，且固定点C更相对于该些驱动轴30连接多个旋转抑制件R，固定点C与该些感测模块10之间进一步设有一耦合件B，该些感测模块10分别经由耦合件B耦合至该故定点C，可提供缓冲空间让第一～第四感测模块10A、10B、10C、10D能够被驱动以相对该固定点C运动，本实施例耦合件B包含具可挠性的缓冲件B1、B2作为举例说明，但可依据设计需求改用其他构造作为耦合件B。旋转抑制件R由固定支点与可挠性元件组成，用以抑制避免感测模块10相对于固定点C旋转。

[0063] 更详言之，请进一步参阅图2，本实施例的感测模块包含第一感测模块10A与个第二感测模块10B，该些第一感测模块10A与该些第二感测模块10B皆感测垂直图面的Z轴的角速度，更分别感测水平于图片的不同轴向(即X轴与Y轴)的角速度，其中，该些该第一感测模块10A的第一感测元件16A感测其质量块14A于Z轴向的位移，当质量块14A沿Y轴向被驱动且承受X轴的角速度时会形成该位移，故第一感测元件16A得以感测X轴的角速度；该些该第一感测模块10A的第二感测元件18A感测其质量块14A于X轴向的位移，当质量块14A沿Y轴向被驱动且承受Z轴的角速度时会形成该位移，故第二感测元件18A得以感测Z轴的角速度；该些该第二感测模块10B的第一感测元件16B感测其质量块14B于Z轴向的位移，当质量块14B沿X轴向被驱动且承受Y轴的角速度时会形成该位移，故第一感测元件16B得以感测Y轴的角速度；该第二感测模块10B的第二感测元件18B感测其质量块14B于Y轴向的位移，当质量块14B沿X轴向被驱动且承受Z轴的角速度时会形成该位移，故第二感测元件18B得以感测Z轴的角速度。该些

[0064] 在本实施例中，驱动轴30可由梳状单元32所组成的致动单元M进行驱动，分别以梳状单元32带动驱动轴30向内推而施加外力F，驱动轴30分别经由第一可挠性连接件C1与第二可挠性连接件C2传递至相邻的外框20A、20B，因而经由传动元件22分别传递分力至该些第一感测模块10A与该些第二感测模块10B，本实施例的该些外框20A、20B为同时受该些驱动轴30向内挤压，除此之外，亦可同时连动向外扩张，而形成往复运动。当图面左上的驱动轴30向内推时，可经由第一可挠性连接件C1驱动该第一感测元件16A的质量块14A沿Y轴朝固定点C移动，而虽然驱动轴30也会沿着X轴推动外框20A，但图面右上的驱动轴30会同步沿着X轴推动外框20A而抵销X轴向上的外力，故质量块14A不会受驱动轴30影响而在X轴向上产生不当位移。反之，当驱动轴30向外张时，即可驱动该的质量块14A沿Y轴远离固定点C。故经由该些驱动轴30的反复作动，即可使该第一感测元件16A的质量块14A沿Y轴往复运动，并使该第二感测元件16B的质量块14B沿X轴往复运动。

[0065] 在本实施例中的微机电陀螺仪可以形成对称式构造，上述说明已经描述了第一感测模块10A与个第二感测模块10B及其对应外框20A、20B的作动，故不再对第三感测模块10C与个第四感测模块10D及其对应外框20C、20D的作动进行重复描述。

[0066] 本实施例中的微机电陀螺仪透过外框20及设置于外框20之间的驱动轴30来致动感测模块10，相较于习知技术一般采取直接驱动感测模块10的方式，存在以下几个重要效果：驱动轴30驱动、外框20传动、而感测模块10单纯进行感测的设计方式，使得本发明实施例的设计难度大幅降低且成本易于控制；再者，由于本发明额外设置了外框20，且所有外框20藉由个驱动轴30上的可挠性连接件与可挠性连接件形成连接，因此任一外框20所承受的不当外力可以相互耦合，易于利用缓冲结构吸收抵销，也容易透过后端电路消除；而且，由于驱动轴30不是直接驱动感测模块10，而必须经由额外设置的外框10来传动，本发明实施例可以在外框20与感测模块10之间设置前述传动元件22或抑制件24来有效地缓冲吸收外框2上的非理想位移，使得本发明实施例的微机电陀螺仪具有低噪声、高精确度的优点。

[0067] 如图3所示，其为本发明的微机电陀螺仪的另一实施例的结构示意图。相较于前述驱动轴30直接由第一可挠性连接件C1与第二可挠性连接件C2连接外框20，本发明也可以在驱动轴30的前端形成一延伸部E，该延伸部E延伸超出二侧相邻的外框20，并由延伸部E连接第一可挠性连接件C1与第二可挠性连接件C2，以对应连接相邻的二外框20，如此可提升驱动轴30的活动空间，并可供设置尺寸更大的挠性连接件，有效增加第一可挠性连接件C1与第二可挠性连接件C2的活动幅度。藉由上述特征，本实施例可以在驱动轴30位移量不变的情况下，驱使感测模块10的质量块14产生更大幅度的位移。

[0068] 如图4所示，其为本发明的微机电陀螺仪的另一实施例的结构示意图。本实施例可以由驱动轴30的不同端面延伸出一第一延伸部E1与一第二延伸部E2，且第一延伸部E1与该侧外框20的距离不同于第二延伸部E2与该侧外框20的距离，据此，第一延伸部E1与第二延伸部E2所连接的第一可挠性连接件C1与第二可挠性连接件C2为不同长度，因而具有不同的活动幅度，因此即使第一延伸部E1与一第二延伸部E2受同一个驱动轴30驱动，本实施例却可以驱使二侧外框20对应的感测模块10产生不同幅度的位移，以提升本发明的设计灵活性。

[0069] 请参阅图5，其为本发明的微机电陀螺仪的另一实施例的结构示意图。与前述各实施例不同之处在于：本发明更可以将外框20的部分结构改为可挠性结构。举例而言，设置于第一感测模块10A外侧的第一外框20A包含一第一边框F1A、一增幅边框F2A与一第二边框F3A，其中第一边框F1A的一端为连接第一可挠性连接件C1，第一边框F1A的另一端连接增幅边框F2A的一端，增幅边框F2A的另一端连接第二边框F3A的一端；相对于设置于第二感测模块10B外侧的第二外框20B包含一第一边框F1B、一增幅边框F2B与一第二边框F3B，其中第一边框F1B的一端连接增幅边框F2B的一端，增幅边框F2B的另一端连接第二边框F3B的一端，第二边框F3B的另一端为连接第二可挠性连接件C2。第一感测模块10A与第二感测模块10B分别经由传动元件22连接于增幅边框F2A与增幅边框F2B，增幅边框F2A与增幅边框F2B均由可挠性结构组成，其差异之处在于：增幅边框F2A与传动元件22的连接位置位于第一边框F1A与第二边框F3A的联机外侧，然而增幅边框F2B与传动元件22的连接位置位于第一边框F1B与第二边框F3B的联机内侧。藉此，位于第二外框20B的增幅边框F2B增幅方向不同于位于第一边框20A的增幅边框F2A的增幅方向。

[0070] 更详言之，如图6所示，当有驱动轴30向内推而施加外力F时，由于第一外框20A设有具可挠性的增幅边框F2A，第一边框F1A与第二边框F3A可以产生向两侧外展的位移，此时由于增幅边框F2A与传动元件22的连接位置位于第一边框F1A与第二边框F3A的联机外侧，会使得增幅边框F2A本身形成沿Y轴方向朝固定点C移动的位移，故可进一步增加该第一感测模块10A的质量块14朝该固定点C移动的位移量。反之；虽然第二外框20B也设有具可挠性的增幅边框F2B，使第一边框F1B与第二边框F3B可以产生向两侧外展的位移，但是增幅边框F2B与传动元件22的连接位置位于第一边框F1A与第二边框F3A的联机内侧，这会使得增幅边框F2B本身形成沿X轴方向远离固定点C的位移，故将减少该第二感测模块10B的质量块14朝该固定点C移动的位移量。甚至，在部分实施例中，倘若增幅边框F2B本身沿X轴方向远离固定点C的位移量较大，将有可使第二感测模块10B的质量块14沿X轴远离固定点C，从而实现让第一感测模块10A朝固定点C移动，同时让第二感测模块B远离固定点C的致动构造。

[0071] 由上述可知，藉由设置不同形式的增幅边框，本发明得以自由控制各感测模块10授受到驱动轴30驱动的位移量，并使本发明除了可为全部外框20连动向外或向内，更可区分为第一外框20A与第二外框20B，而第一外框20A与第二外框20B可分别向内或向外移动，如此大大地增加了本发明的微机电陀螺仪的数计灵活性。

[0072] 请参阅图7，其为本发明的微机电陀螺仪的另一实施例的结构示意图。相较于前述的微机电陀螺仪1中的驱动轴30受到梳状单元32带动，本发明的微机电陀螺仪2也可以将驱动轴30分别经由第三可挠性连接件C3与第四可挠性连接件C4连接对应的第一驱动杆件34A与第二驱动杆件34B，而第一驱动杆件34A与第二驱动杆件34B分别设有多个第一驱动器36A与多个第二驱动器36B。透过该些第一驱动器36A带动第一驱动杆件34A沿其径向移动及透过该些第二驱动器36B带动第二驱动杆件36B沿其径向移动即可对应带动驱动轴30内推或外展，从而带动外框20A、20B。如此，由于致动第一驱动杆件34A、第二驱动杆件34B沿其径向作动所需要的驱动器尺寸会小于直接致动驱动轴30径向作动所需要的梳状单元32尺寸，本实施例得以在额外降低微机电陀螺仪的成本。

[0073] 综上所述，本发明为一种微机电陀螺仪，其包含多个感测模块，该些感测模块透过多个传动元件连接外侧的多个外框，多个驱动轴设置于该些外框之间，并分别透过一第一可挠性连接件与一第二可挠性连接件连接至二相邻外框，因而让所有外框串联，以耦合驱动轴所施加的外力或微机电陀螺仪所承受的其他外力。

[0074] 上文仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。