具有支点元件的微型电机装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种微型电机装置，且特别是关于一种具有支点元件的微型电机装置。
【背景技术】
[0002]近年来在行车导航及个人导航的需求的带动下，惯性测量装置(InertialMeasurement Unit, IMU)已渐渐成为导航装置的辅助系统。例如,在车辆进入到隧道或地下停车场内，或者行人走入到骑楼或屋檐下等情况下，导航装置中的全球定位系统(GPS)，可能受到建筑物或地形的遮蔽效应的影响，而暂时性的无法受到卫星发出的定位信号。
[0003]在前述情况下，导航装置比较难取得足够的卫星信号，因此无法准确定位出使用者的所在位置，从而无法提供正确的导航资讯。而在收不到GPS信号的地方，导航装置可借助运算惯性测量装置的测量资料，持续提供定位资讯及导航资讯。因此，整合惯性测量装置与现有的全球定位系统(GPS)的导航装置，已经成了微型电机惯性测量元件市场中，下一个重要的竞争产品。
[0004]就现有技术而言，传统微型电机惯性测量装置主要包含三轴加速度计(threeaxis accelerometer)及三轴陀螺仪(three axis gyroscope)。三轴陀螺仪包括一个振荡器(oscillator)及三个科氏加速度计(Cor1lis accelerometer)。振荡器需能同时在同一平面的两个垂直方向上进行振动。为了使三轴加速度计及三轴陀螺仪的感应信号不相互干扰，惯性测量装置采用三个加速度计质量块与三个陀螺仪质量块可各自独立运动的设计。但是如此设计下，由于没有共用的质量块便会造成惯性测量装置的整体面积过大的缺点。
[0005]在公知的技术中，陀螺仪的振荡器可以是利用中空圆盘状结构进行来回转动，进而在同一平面的两个垂直方向上同时产生振动。由于此种振荡器通常是以位于旋转轴心的元件作为支点(Pivot)来进行转动，因此圆盘状结构的中央区域便无法设置加速度计。如此，惯性测量装置的面积便无法大幅缩小。因此，如何设计出微型化的惯性测量装置，已成为开发微型电机惯性测量装置时的重大技术挑战。
[0006]图1A是公知的一种X轴加速度计的示意图。请参考图1A，当加速度计10在X轴方向上感应到加速度A3Jf，经由弹簧11连接于固定座12的质量块13在X轴方向上产生位移，使得固定电极14与移动电极15的相对距离受到质量块的位移变化而改变。更进一步而言，固定电极14与移动电极15的相对距离改变，造成固定电极14与移动电极15之间的电容发生变化。因此，加速度计10可通过感应此电容变化，以换算出X轴方向上的加速度4的数值。
[0007]图1B是公知的一种Y轴加速度计的示意图。请参考图1B，当加速度计20在Y轴方向上感应到加速度Ay时，经由弹簧21连接于固定座22的质量块23在Y轴方向上产生位移，使得固定电极24与移动电极25之间的电容发生变化。因此，加速度计20可通过感应此电容变化，以能换算出Y轴方向上的加速度Ay的数值。
[0008]图1C是公知的一种Z轴加速度计的示意图。请参考图1C，当加速度计30在Z轴方向上感应到加速度Az时,经由扭转梁(tors1nal beam) 31连接于固定端32的质量块33会以扭转梁31为转轴(也为Y轴)转动，使得固定电极34与移动电极35之间的电容发生变化。因此，加速度计30可通过感应此电容变化，以换算出Z轴方向上的加速度Az的数值。
[0009]通常情况下，扭转梁31设置于质量块33的相对两侦彳，且两者之间的连线31a不通过质量块33的质心(center of mass)33a。也就是说，扭转梁31例如是以偏心(eccentricity)的方式设置于质量块33之上以提升加速度计30的感应灵敏度(sensitivity) 0此外，在没有用图示显示的实施例中，扭转梁也可沿着X轴方向连接质量块与固定端，而当加速度计在Z轴方向上产生加速度时，质量块会以扭转梁为转轴(也为X轴)转动。如此配置下，加速度计也能换算出Z轴方向上的加速度值。
[0010]加速度计10、20、与30能分别用以测量出X轴、Y轴与Z轴方向上的加速度值。三轴加速度计则需具备可在X轴方向上产生位移的质量块13、可在Y轴方向上产生位移的质量块23以及可依照X轴或Y轴方向转动的质量块33，才能加以整合成一个三轴加速度计。
[0011]图2A是公知的一种X轴陀螺仪的示意图。请参考图2A，陀螺仪40的弹簧41连接固定座42与框架43，而陀螺仪40的扭转梁44连接框架43与质量块45。框架43在Y轴方向上来回振动，以驱动质量块45在Y轴方向上来回振动。当陀螺仪40在X轴方向上感应到角速度Rx时，质量块45会以扭转梁44为转轴(也为X轴)往复转动。因此，通过感应质量块45的旋转变化所造成的电容改变，即能换算出X轴方向上的角速度Rx的数值。
[0012]图2B是公知的一种Y轴陀螺仪的示意图。请参考图2B，陀螺仪50的弹簧51连接固定座52与框架53，而陀螺仪50的扭转梁54连接框架53与质量块55。框架53在X轴方向上来回振动，以驱动质量块55在X轴方向上来回振动。当陀螺仪50在Y轴方向上感应到角速度Ry时，质量块55会以扭转梁54为转轴(也为Y轴)往复转动。因此通过感应质量块55的旋转变化所造成的电容改变，即能换算出Y轴方向上的角速度Ry的数值。
[0013]图2C是公知的一种Z轴陀螺仪的示意图。请参考图2C，陀螺仪60的弹簧61连接固定座62与框架63，而陀螺仪60的弹簧64连接框架63与质量块65。框架63在Y轴方向上来回振动，以驱动质量块65在Y轴方向上来回振动。当陀螺仪50在Z轴方向上感应到角速度Rz时，质量块65在X轴方向上产生位移。因此，通过感应质量块65的位移变化所造成的电容改变，即能换算出Z轴方向上的角速度Rz的数值。
[0014]图2D是公知的另一种Z轴陀螺仪的示意图。请参考图2D，陀螺仪70的弹簧71连接固定座72与框架73，而陀螺仪70的弹簧74连接框架73与质量块75。框架73在X轴方向上来回振动，以驱动质量块75在X轴方向上来回振动。当陀螺仪70在Z轴方向上感应到角速度Rz时，质量块75在Y轴方向上产生位移。因此，通过感应质量块75的位移变化所造成的电容改变，即能换算出Z轴方向上的角速度Rz的数值。
[0015]陀螺仪40、50与60(或70)能分别用以测量出X轴、Y轴与Z轴方向上的角速度值。三轴陀螺仪必须有可沿Y轴方向来回振动的框架43 (即振荡器)与可依照X轴方向转动的质量块45、可沿X轴方向来回振动的框架53 (即振荡器)与可依照Y轴方向转动的质量块55以及可沿X轴或Y轴方向位移的质量块65(或75)，才能加以整合成一个三轴陀螺仪。六轴惯性测量装置即是将上述的三轴加速度计及三轴陀螺仪两者加以整合成单一惯性测量装置。
[0016]在现有技术中，惯性测量装置可采用共用质量块的设计(即加速度计与陀螺仪使用相同的感应质量块)或分离质量块的设计(即加速度计与陀螺仪使用不同的感应质量块)。图3是公知的一种惯性测量装置的示意图，其加速度计与陀螺仪是采用共用质量块的设计。图4是公知的一种惯性测量装置的示意图，其加速度计与陀螺仪是采用分离质量块的设计。
[0017]请参考图3，惯性测量装置80的共用质量块81是依照顺序由径向控制电极(electrodes for radial control) 82、转子(rotor) 83以及径向控制电极84所围绕,其中任两相邻的径向控制电极84之间具有共同电极85。由于惯性测量装置80使用共用质量块81作为检测三轴加速度与双轴角速度时的共用质量块，因此具有感应信号耦合无用信号多与读取电路复杂等缺点。
[0018]请参考图4，惯性测量装置90是有三轴陀螺仪91与三轴加速度计92所构成，其中三轴陀螺仪91与三轴加速度计92为各自独立的感应结构。更进一步讲，三轴陀螺仪91是由各自独立的三个角速度感应结构91a、91b与91c所构成，分别用于感应出空间中的三轴角速度。而三轴加速度计92是由各自独立的三个加速度感应结构92a、92b与92c所构成，分别用于感应出空间中的三轴加速度。三个角速度感应结构91a、91b与91c分别使用各自独立的振荡框架，而且三个加速度感应结构92a、92b与92c也没用使用共同的质量块，以致惯性測量装置90具有面积大与制作成本高等缺点。
[0019]图5是公知的一种三轴陀螺仪的示意图。请参考图5，美国专利US 7694563公开一种微型电机三轴陀螺仪100.微型电机三轴陀螺仪100利用中空碟状结构110作为振荡器。振荡器的旋转支点111设置于中空碟状结构110的中心位置。因此，中空碟状结构110会以Z轴为旋转轴带动质量块120、130与140，用于感应三轴角速度。
[0020]图6是公知的一种差动式陀螺仪的示意图。请参考图6，美国专利US20100132460公开一种差动式陀螺仪200。质量块230被驱动时，会以相反的方向运动，用于感应角速度。
[0021]由上述可知，常见的微型电机感应器(例如陀螺仪)是以单环式框架或中空碟状结构作为振荡器。单环式框架或中空碟状结构通常以位于旋转轴心(或振荡器的几何中心)的元件作为支点(Pivot)来进行旋转运动，进而驱动设置于框架或中空碟状结构内的质量块，用于感应至少两个轴向以上的角速度。
【发明内容】
[0022]本发明提出一种微型电机装置，适用于检测两轴以上的角速度。此微型电机装置包括基板、第一框架、多个第一固定座以及多个支点元件。这些第一固定座位于第一框架内并且设置于基板上，以在基板上形成围绕轴线的区域(或称空间、空间区域、space、spacearea)，其中轴线垂直基板。这些支点元件设置于第一框架内。其中，每一支点元件分别包括支点端以及旋转端，各个支点端连接对应的各个第一固定座，且各个旋转端连接第一框架。各个支点端至轴线的距离都相同，以使第一框架可依照轴线转动。
[0023]本发明另提出一种微型电机装置，包括基板、第一框架、多个第一固定座以及多个支点元件。这些第一固定座位于第一框架内并且设置于基板上，以在基板上形成围绕轴线的区域(或称空间、空间区域、space、space area),其中轴线垂直基板。这些支点元件设置于第一框架内。其中,每一支点元件包括支点端以及旋转端，各个支点端连接对应的各个第一固定座，且各个旋转端连接第一框架。各个支点端至轴线的距离都相同，以使第一框架依照轴线转动。各个支点元件的支点端的宽度小于各个支点元件的旋转端的宽度。
[0024]本发明又提出一种微型电机装置，包括基板、第一框架、多个第一固定座、多个支点元件、多个第一支架以及多个第二支架。这些第一固定座位于第一框架内并且设置于基板上，以在基板上形成围绕轴线的区域(或称空间、空间区域、space、space area),其中轴线垂直基板。这些支点元件设置于第一框架内。其中，各支点元件包括支点端以及旋转端，各个支点端连接对应的各个第一固定座，且各个旋转端连接第一框架。各个支点端至轴线的距离都相同，以使第一框架