专利名称：双轴振动速度陀螺仪的制作方法
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。
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。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双轴旋转速度传感器，该传感器具有两个围绕恢复元件对称设置的振动质量体，两个振动质量体以谐振反相运动受到驱动，其中两个质量体沿单个轴以相等但是相反的振幅振动。所述振动结构容纳着在垂直于振动轴线的平面中的质量体运动，并且测量所述质量体沿两个轴线在这个垂直平面中的运动，从而直接响应于传感器围绕两个轴线的旋转提供信号。
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100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10是信号PCB 1010的分解视图；图11是悬持组件1110的分解视图；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。
具体实施例方式
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，其包括圆柱形永磁体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。这种安装以及在磁体保持件130和140中的释放，允许磁体保持件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处安装于外部组件。
在操作中，磁体110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“科里奥利力”，并且用以下公开表示F科里奥利＝-2m(ω×v)(公式1)其中m是移动物体的质量，v是移动物体的速度向量，ω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110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ω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，力产生在移动磁体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ω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。当振动组件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，导致磁体120的运动在-y方向上。
正如图5所示，振动组件100绕y轴的旋转导致磁体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110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较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，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还包括减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，这减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接近从动反相运动频率或与从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以分解视图示出驱动侧组件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。磁性可透过的板830连接到驱动模制件820的后面从而帮助引导由磁体110产生的磁通线，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、椭圆形检测线圈以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，检测线圈910被定向成使得沿x轴的移动磁体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。线圈的椭圆形状使得它们对于x方向上的移动更敏感。每个线圈对都相反极性连接(在相对方向上缠绕)，从而使得源自磁体120的从动z轴运动的磁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PCB1010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路(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110定位；而AGC线圈1050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和基底模制件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线圈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100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)，以其谐振频率驱动振动组件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DACs1340。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DACs1340调节模拟偏航(YWP-YWM)和俯仰(PWP-PYM)检测信号，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DACs1340以及串行接口和RAM1355互连的COMCAL总线向定标DACs1340提供到达串行接口和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DACs1340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Vyaw＝V(YWP)-V(YWM)(公式2)描述了希望和误差成份的偏航信号的理论定义，为VyawNOM＝Inph Yaw*SIN(2π*Fvib*t)-Cross Yaw*RatePitch*COS(2π*Fvib*t)-(RateYaw+MROyaw)*YSF*COS(2π*Fvib*t)(公式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减少了。
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 DAC1430提供校正信号，YCAXDAC1430随俯仰信号(PWP-PYM)定标其输出，并且乘以YCAX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俯仰信号来保留误差源和校正信号之间的相位关系，交轴误差成份被极大地减少了。
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DACs1340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。
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。
偏航模数转换器(ADC)1350和俯仰ADC 1360执行同时的模数转换，所述模数转换相对于AGC信号是同步的。俯仰ADC1360以与偏航ADC1350一致的方式运行，这是我们现在所描述的。正确的偏航信号被施加到混合器14140，在此处通过与余弦信号(与AGC信号差四分之一周期)混合被解调出正确的偏航信号。所述解调信号随后被整流并且通过偏航ADC1350被转换成数字电平。在优选实施例中，偏航ADC1350利用Sigma Delta转换器14150，该转换器以响应于来自ADC时钟合成器和计数器1325的HSCLK信号以高速率在每个循环中多次采样解调的偏航信号。每一1.8kHz循环，所述整流采样以与来自于ADC时钟合成器和计数器1325的CLK信号同步地通过积分器14160积分两次。CLK信号直接来源于AGC信号从而与物理振荡器保持精确的相位关系。这个同步解调和转换通过去除特定的误差信号进一步改善了检测信号的信噪比。
施加到YINPH DAC 1410和PINPH DAC 1460的数字数值是通过自动校正循环得到，该循环执行检测通道的正弦解调并且调整定标YINPH DAC1410和PINPH DAC 1460从而将同相信号中的数量在两个检测通道中的每一个中最小化。具体地，可选择的同相修整模式选择进入到混合器14104的正弦输入并且以正弦波解调正确的偏航信号。来自于偏航ADC1350的最终正弦解调数字信号建立YINPH参数的数值，这被加载于YINPH寄存器1420中并且用于定标YINPH DAC 1410从而在正常操作过程中去除正弦误差信号。PINPH自动校正循环以类似的方式运行。
YCAX DAC 1430和PCAX DAC 1480的数字式数值来源于工厂校准步骤，其中完整的组件被旋转并且测量在相关通道上的交轴量。这些数字数值随后被加载于EEPROM1020中以及ASIC 1030上的数字寄存器中。
YOFST和POFST是DC偏移误差的校正信号。YOFST和POFST的数字数值也是通过自动校正循环确定的。来自相加器14110的输出被施加到积分器14190，其同步于来自ADC时钟合成器和计数器1320的CLK信号，从而在一组多个AGC信号循环上积分来自于相加器14110的输出。积分数值与参考值(标称为零)在比较器14200中进行比较。所述结果被施加到计数器1450。这个计数调整存储在YOFST DAC 1440中的YOFST数值，YOFSTDAC 1440定标施加到相加器14110的DC信号以提供DC误差校正。POFST循环以相同的方式运行。在运行过程中，这些循环会调整YOFST和POFST的定标，从而将检测通道上的DC信号的数量最小化。
再参考图13，ADC时钟合成器和计数器1320接收来自AGC前置放大器和振动振荡器1310的模拟AGCCOMP信号，并且提供用于精确地同步数字电路并且以振动组件的振荡进行采样的数字时钟信号CLK和COUNT。这是通过使用高频振荡器实现的，高频振荡器被分频到匹配振动组件100的自然振动频率的某一频率并且被锁定于AGC信号AGPCOMP的相位参照(诸如零交叉点)。
CLK/COUNT信号从AGCCOMP信号同相移位90度以便于检测信号角速度信息的提取。因此，可以精确地与振动组件100的物理振动同步。也提供高速HSCLK信号，其与CLK时钟信号同步并且具有较高的频率。在校准过程中，为了确定YINPH和PINPH校准数值，有选择地使90度相位移位无效。
ASIC 1030和EEPROM 1020使用包含在串行接口和RAM块1355中的诸如菲利甫12C接口的串行2线缆接口与外部微处理器连通。所述2线缆接口在外部封装和悬持组件之间保存所需的连接数量。实际上，仅有四个与所述悬持组件的电连接。这使得外部微处理器从结果寄存器读取数字数值并且将校准数值和状态数值写入输入寄存器。
在工厂校准过程中，测量误差信号并且适当的定标因子存储在EEPROM1020中。在正常运行的初始过程中，外部微处理器从EEPROM1020中读取存储的校准数值，并且将它们写入ASIC1030上的寄存器。ASIC1030使用这些存储的数值来设定用来执行如上所述的误差校正的适当的DAC电平。
数值YINPH，PINPH，YOFST，POFST，YCAX，PCAX，YSF，PSSF，RCC，CN和AGS分别存储在<PINPH>，和<YINPH>，<POFST>，<YOFST>，<YCAX>，<PCAX>，<YSF>，<PSSF>，<RCC>，<CN>和<AGS>寄存器中。在工厂校准过程中，这些寄存器数值由外部处理器写入EEPROM1020中以永久储存。随后启动这些数值加载于(植入)ASIC1030上的寄存器中以减少循环设定时间。RCC和AGC的数值被植入与AGC前置放大器相关联的寄存器以及振动振荡器1310中。RCC是用于调整振荡器中心频率以补偿ASIC处理变化的时间常数校准。AGS是振幅校准数值，其在振幅检测前放大AGC信号。因此，改变AGS的数值就改变了从动反相运动的物理振幅。在ASIC1030中的主动寄存器中植入(预载入)这些数值允许每个传感器被电校准并且改善启动时间，ASIC1030是板载悬持组件1110。
在整个电路中以传统的方式进一步执行数字和模拟滤波从而去除出现在信号上的不希望的低高频成份。这种电路未示出。
ASIC1030还包括温度传感器1380和电压等级检测器1390，这些传感器馈通电压/温度ADC1370，从而可以报告传感器的温度以及供给电压。这些数值使得能允许对取决于温度和电压的现象进行后续较高阶的误差校正。
虽然本发明已经结合优选实施例进行了描述，但是显然的是在不背离权利要求所述的本发明的精神和范围的前提下可以进行各种修改。
权利要求
1.一种振动转速传感器，包括振动元件，其包括沿共同轴线对称设置以沿所述轴线振动的一对振动质量体；驱动器，其耦合到至少一个振动质量，以沿所述轴线在振动质量体中引发周期运动；第一检测电路，其耦合到至少其中一个振动质量，用于检测在垂直于该振动轴线的一个方向上的振动质量的运动；以及第二检测电路，其耦合到至少其中一个振动质量，用于检测在垂直于该振动轴线的另一个方向上的振动质量的运动。
2.根据权利要求1所述的振动转速传感器，其中所述驱动器引发振动质量之间的反相运动。
3.根据权利要求1所述的振动转速传感器，其中振动质量包括磁性元件并且所述驱动器和所述检测电路包括电磁元件。
4.根据权利要求1所述的振动转速传感器，其中所述驱动器被耦合到一个振动质量并且检测电路被耦合到另一个振动质量。
5.根据权利要求1所述的振动转速传感器，其中所述驱动器被周期性地耦合到一个振动质量并且所述检测电路在驱动器未被耦合的时间中被耦合到同一振动质量。
6.根据权利要求1所述的振动转速传感器，其中一个方向和其它方向是共面的并且大体彼此垂直。
7.根据权利要求1所述的振动转速传感器，包括用于检测振动质量沿振动轴线的运动的振幅和相位的运动传感器，其中所述运动传感器耦合到驱动器，并且所述驱动器以重复方式响应于检测到的振幅和相位驱动振动质量。
8.根据权利要求1所述的振动转速传感器，还包括具有耦合到其中一个质量的弹性第一元件和耦合到其中另一个质量的弹性第二元件的平面恢复元件。
9.根据权利要求8所述的振动转速传感器，还包括单一均质恢复元件，该元件具有耦合到每一质量的弹性第一元件。
10.根据权利要求8所述的振动转速传感器，其中弹性第一和第二元件被延长从而使得它们具有大于它们端部之间直线距离的长度。
11.根据权利要求8所述的振动转速传感器，其中所述恢复元件还包括用于将振动组件连接到外部安装件的弹性安装元件。
12.根据权利要求1所述的振动转速传感器，其中检测运动和反相运动的谐振充分接近从而放大检测模式，而其它谐振模式在频率上被充分地分开从而使它们可以通过滤波被有效地去除。
13.根据权利要求8所述的振动转速传感器，其中平面恢复元件是径向地X折叠对称的，X是大于或等于3的整数。
14.一种用于操作振动转速传感器的方法，所述速度传感器包括一对沿共同轴线对称设置的振动质量，用于沿所述轴线振动，所述方法包括的步骤有驱动至少一个振动质量以沿所述轴线在振动质量中沿所述轴线引发周期性运动；检测至少其中一个振动质量在垂直于该振动轴线的一个方向上的运动；以及检测至少其中一个振动质量在垂直于该振动轴线的另一个方向上的运动。
15.根据权利要求14所述的操作振动转速传感器的方法，其中驱动步骤引发振动质量之间的反相运动。
16.根据权利要求14所述的操作振动转速传感器的方法，其中所述振动质量包括磁性元件并且检测步骤是电磁完成的。
17.根据权利要求14所述的操作振动转速传感器的方法，其中所述驱动器被耦合到一个振动质量，而检测电路被耦合到另一个振动质量，其中驱动步骤驱动其中一个振动质量，而检测步骤检测另一振动质量的运动。
18.根据权利要求14所述的操作振动转速传感器的方法，其中驱动步骤间歇地驱动一个振动质量，而检测步骤在该振动质量未被驱动时检测该振动质量的运动。
19.根据权利要求14所述的操作振动转速传感器的方法，其中所述一个方向和另一个方向是共面的并且大体彼此垂直。
20.根据权利要求14所述的操作振动转速传感器的方法，还包括检测至少其中一个振动质量的沿振动轴线的运动的振幅和相位的检测步骤，以及响应于检测到的振幅和相位以重复方式驱动振动质量的驱动步骤。
全文摘要
一种双轴旋转速度传感器，该传感器具有两个耦合到恢复元件的振动质量体并以谐振反相运动受到驱动，其中两个质量体沿单一轴的振动相同但是振幅相反。所述振动结构件还容纳质量体在垂直于振动轴线的平面中的运动。对所述质量体沿两个轴线在这个平面中的运动所进行的测量提供了直接响应于所述传感器围绕两个正交轴线旋转的信号。通过使用磁性质量体，以及电磁驱动和检测转换器，便于执行测量和驱动。
文档编号G01C19/56GK1954190SQ200580015350
公开日2007年4月25日 申请日期2005年3月11日 优先权日2004年3月12日
发明者史蒂文·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