可移动块体悬挂系统和惯性角度传感器的制作方法

可移动块体悬挂系统和惯性角度传感器
1.本技术是申请日为2016年12月22日、申请号为cn 201680075944.2(国际申请号为pct/ep2016/082418)、名为“包括用于以优化的线性度联接可移动块体的装置的用于悬挂可移动块体的系统”的进入中国国家阶段的pct申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及包括在平面中可移动的块体的系统的领域，该块体诸如为具有振动谐振器的惯性角度传感器。这种传感器(被称为“分立块体”传感器)包括至少一个可移动块体(也被称为“激振块体”、“测试主体”或“测试块体”)，其形成在相对于传感器的框架的移动的平面内振荡的谐振器，谐振器的运动可以被分析以提供关于框架的旋转位移的信息。
3.这些传感器可以在“回转仪”和/或“陀螺测试仪”模式下运行，这些传感器的尺寸可以变化。“陀螺测试仪”模式是基于在传感器框架的旋转位移的作用下测量施加到移动块体的科里奥利力(coriolis force)，而“回转仪”模式是基于移动块体在这种旋转位移的作用下的振荡方向的角度漂移。
4.特别地，这些传感器被认可，因为它们可以小型化并且因此特别是以微机电传感器(micro-electromechanical sensors，mems)的形式使用。
5.本发明还适用于例如可以用于形成致动器、开关或谐振器的其他类型的系统。


背景技术：

6.在具有振动谐振器的惯性角度传感器中，该(或每个)谐振器是由弹性装置悬挂在支撑件上的可移动块体的形式，使得可移动块体可以在平面内振荡，该平面在下文中被称为“移动性平面”。
7.已经开发了很多这种类型的传感器。在这些传感器中的一些中，特别是在被设计为能够以“陀螺仪”模式运行的传感器中，换句话说，在可以被用于直接测量角度位置的传感器中，可移动块体在移动性平面中具有两个平移自由度，以及在该同一平面内关于其惯性中心的一个旋转自由度。然后通过作用在两个方向(这两个方向通常彼此正交)上的致动器来维持可移动块体的振荡。此外，传感器框架的旋转位移引起可移动块体在振荡方向上的角度偏移。因此，该块体必须能够在移动性平面中的任何方向上进行无差别地移位。
8.为此，可移动块体的悬挂装置必须与可移动块体的两个自由度相兼容。
9.为了避免产生可能会干扰传感器的运行的故障，还期望使维持可移动块体的振荡所需的力作为幅度的函数是线性的。
10.二阶非线性度会导致在传感器结构中引起预应力的非零平均力，而三阶非线性度会导致等时性故障，从而导致取决于幅度的平均刚度，从而引起振荡频率作为振荡幅度的函数的变化。
11.同样的考虑适用于被用来对一些传感器中存在的多个可移动块体的各自的位移进行弹性联接的弹性联接装置。
12.在本说明书的其余部分中，表述“连接装置”、“连接器件”和“连接元件”无差别地
表示悬挂装置、悬挂器件或悬挂元件以及弹性联接装置、弹性联接器件或弹性联接元件。对于技术人员来说清楚的是，悬挂和弹性联接的概念涉及两个元件之间的直接连接。


技术实现要素：

13.具体地，本发明的目的是具有连接装置的系统，该连接装置具有两个自由度并且至少具有改进的线性特性并且优选地还具有改进的各向同性特性。
14.为了实现这点，本发明公开了一种系统，该系统包括至少一个可移动块体和将可移动块体连接到系统的另一元件的连接装置，该连接装置使得可移动块体能够相对于系统的所述另一元件在被称为“移动性平面”的平面内移动。
15.根据本发明，连接装置包括第一连接器件，该第一连接器件包括被连接到可移动块体的第一连接元件、被连接到系统的所述另一元件的第二连接元件以及将第一连接元件连接到第二连接元件的连接块。
16.此外，当可移动块体处于静止位置时，第一连接元件和第二连接元件分别关于第一平面和第二平面居中，第一平面和第二平面与移动性平面正交并且第一平面和第二平面相交。
17.此外，第一连接元件在移动性平面中可弯曲变形，以使可移动块体能够沿着与第一平面正交的第一方向相对于连接块从静止位置开始相对移位，并且第二连接元件在移动性平面中可弯曲变形，以使系统的所述另一元件能够相对于连接块沿着与第二平面正交的第二方向从静止位置开始相对移位。
18.此外，第一连接元件和第二连接元件中的至少一个由至少两个弹簧形成，该至少两个弹簧中的每个具有第一端部和第二端部，第一端部分别被连接到可移动块体和系统的所述另一元件，第二端部被连接到连接块。
19.第一连接器件的构造赋予其良好的线性特性，这将从以下描述中变得清楚。因此，本发明可以解决上述的问题。
20.本领域技术人员清楚的是，第一连接元件在移动性平面中的弯曲变形引起可移动块体的移位，针对一阶而言，该移位仅沿着上述的第一方向发生。类似地，第二连接元件在移动性平面中的弯曲变形引起可移动块体的位移，针对一阶而言，该移位仅沿着上述的第二方向发生。
21.应该理解的是，“移动块体相对于连接块的相对位移”是指移动块体在固定坐标系内相对于连接块移动的可能性。类似地，应该理解，“系统的所述另一元件相对于连接块的相对位移”是指系统的另一元件在固定坐标系内相对于连接块移动的可能性。特别地，该术语不会妨碍系统的该另一元件被固定到系统的框架，并且因此，考虑到相对于系统的框架固定的坐标系，是连接块相对于系统的另一元件移动。
[0022]“静止位置”是指可移动块体的稳定位置，其优选地是第一连接元件和第二连接元件在移动性平面中不经受任何弯曲应力的位置。
[0023]
优选地，另一连接元件也由至少两个弹簧形成，弹簧的第一端部分别被连接到系统的所述另一元件和可移动块体，并且弹簧的第二端部被连接到连接块。
[0024]
因此，在本发明的优选实施例中，第一连接元件由至少两个弹簧构成，该至少两个弹簧能够在移动性平面中弯曲变形，并且各自具有被连接到可移动块体的第一端部和被连
接到连接块的第二端部；并且第二连接元件由至少两个弹簧组成，该至少两个弹簧能够在移动性平面中弯曲变形，并且各自具有被连接到系统的所述另一元件的第一端部和被连接到连接块的第二端部。
[0025]
连接元件因此可以具有最佳的线性特性。
[0026]
优选地，第一连接元件的弹簧彼此类似。优选地，第二连接元件的弹簧也彼此类似。
[0027]
在本发明的第一优选实施例中，第一连接元件和第二连接元件中的至少一个中的弹簧中的每个呈直的片或梁的形式。
[0028]
第一连接元件和第二连接元件中的每一个中的弹簧的数量可以等于二。
[0029]
作为变型，第一连接元件和第二连接元件中的至少一个中的弹簧的数量可以大于或等于三。
[0030]
弹簧的数量的增加可以增加连接器件的刚度。
[0031]
在本发明的第二优选实施例中，第一连接元件和第二连接元件中的至少一个在连接块的两个相应的延伸部之间延伸，并且该连接元件中的弹簧的数量为两个，并且这两个弹簧各自都是呈折叠的片或梁的形式，弹簧的第一端部被连接到可移动块体或系统的所述另一元件，并且弹簧的第二端部被连接到连接块的延伸部中的一个。
[0032]
在这种情况下，上述的两个弹簧优选关于与移动性平面正交的平面彼此对称。
[0033]
在本发明的第三优选实施例中，第一连接元件和第二连接元件中的至少一个中的弹簧的数量为两个，并且弹簧在可移动块体的相应的延伸部或系统的所述另一元件的相应的延伸部的每一侧上延伸，并且这些弹簧中的每个都是呈折叠的片或梁的形式，弹簧的第一端部被连接到移动块体的延伸部或系统的所述另一元件的延伸部，并且弹簧的第二端部被连接到连接块。
[0034]
在这种情况下同样地，两个弹簧优选关于与移动性平面正交的平面彼此对称。
[0035]
因此，本发明的第二实施例和第三实施例基于所谓的折叠弹簧的使用。
[0036]
一般地，第一方向和第二方向之间的角度优选为90度。
[0037]
因此，当可移动块体处于静止位置时，第一连接器件的第一平面和第二平面之间的角度优选为90度。
[0038]
此外，第一连接器件的第一连接元件和第二连接元件优选地关于与移动性平面正交的第三平面彼此对称。
[0039]
此外，有利地，可移动块体具有第一对称平面和第二对称平面，第一对称平面和第二对称平面与移动性平面正交并且分别与第一方向和第二方向正交。
[0040]
更一般地，在可移动块体关于其惯性中心旋转90度的情况下，可移动块体的形状通常不变。
[0041]
此外，优选地，连接装置包括第二连接器件，该第二连接器件类似于第一连接器件并且被布置成使得第二连接器件的第一连接元件以与第一连接器件的第二连接元件平行的方式延伸，并且使得第一连接器件和第二连接器件相对于与移动性平面正交的第四平面彼此对称。
[0042]
优选地，第四平面也与第三平面正交。
[0043]
此外，优选地，可移动块体相对于第四平面对称。
[0044]
此外，优选地，连接装置包括第三连接器件，该第三连接器件类似于第一连接器件并且使得第一连接器件、第二连接器件和第三连接器件的组件形成在关于可动块体的惯性中心旋转90度的情况下不变的第一图案。
[0045]
因此，连接装置具有赋予其最佳的各向同性性能的对称性质，这将从以下描述中变得更清楚。此外，这允许连接装置消除由于在移动块体上的位置处而不是在其惯性中心处施加的力引起的扭矩效应。
[0046]
而且，有利地，可移动块体在移动性平面中的横截面是正方形，其具有位于所述第四平面中的对角线以及分别平行于第一对称平面和第二对称平面的两个相邻侧边。
[0047]
作为一种变型，可移动块体的横截面可以是不同的类型，例如圆形或取决于系统将被使用的应用类型的任意形状。
[0048]
在各种有利的应用中，该系统还可以包括致动装置，以在移动性平面中在可移动块体上施加振荡。
[0049]
在一个特别有利的应用中，该系统是惯性角度传感器，因此该系统还包括检测装置以测量可移动块体在移动性平面中的位移。
[0050]
优选地，该系统包括形成该系统的所述另一元件的支撑件，并且致动装置被固定到该支撑件。
[0051]
该支撑件可以是系统的框架，或者作为变型，支撑件可以被安装成相对于系统的框架自由地移动。
[0052]
作为一种变型或附加地，该系统可以包括形成该系统的所述另一元件的另一可移动块体。
[0053]
在这种情况下，致动装置可以被插入在两个可移动块体之间，和/或可能位于支撑件与可移动块体中的每个之间。
[0054]
此外，有利地，该系统被构造成对两个可移动块体施加相反的力。
[0055]
因此，系统可以以特别良好的平衡方式运行。系统的平衡，特别是当系统是惯性角度传感器时，可以长期提高这种传感器的精度和稳定性。
附图说明
[0056]
在阅读下面的参照附图作为非限制性示例给出的描述之后，本发明将被更好地理解，并且其它细节、优点和特征将变得清楚，在附图中：
[0057]-图1是根据本发明的第一优选实施例的惯性角度传感器的局部示意俯视图；
[0058]-图1a是图1中的细节1a的放大比例的视图；
[0059]-图2是属于图1中的传感器的连接器件的放大比例的示意图；
[0060]-图3a至图3c是类似于图2的视图，示出了不构成本发明的一部分的其他类型的连接器件，并且这些连接器件仅用于解释的目的；
[0061]-图4至图6是类似于图2的视图，示出了根据本发明的其他实施例的系统的连接器件。
[0062]
在所有的这些附图中，相同的附图标记可以表示相同或相似的元件。
具体实施方式
[0063]
图1示出了系统10的一些部件，例如形成根据本发明的第一优选实施例的惯性角度传感器的部件。具体地，该图显示了一个可移动块体12、另一可移动块体14、将可移动块体12、14中的每个分别悬挂到支撑件20的悬挂装置16、18以及使两个可移动块体12和14彼此连接的弹性联接装置22。
[0064]
所示的惯性角度传感器10是mems型传感器，但应该注意，本发明适用于所有尺寸的传感器，并且更一般地适用于其他类型的系统。
[0065]
支撑件20在图1的平面下方延伸，使得仅以剖面线的形式示出了固定到该支撑件20的不同元件的固定垫。
[0066]
在所附权利要求中使用的术语中，悬挂装置16、18和弹性联接装置22形成将可移动块体12、14中的每个连接到该系统的另一元件的“连接装置”的示例。悬挂装置16、18将移动块体12、14分别连接到支撑件20，而弹性连接装置22将移动块体12、14中的每个连接到另一移动块体14、12。
[0067]
通常，连接装置16、18、22在图1的由附图标记“p”表示的平面中具有两个平移自由度和一个旋转自由度。该平面p在下文中被称为“移动性平面”，因为连接装置16、18、22能够使可移动块体12、14在该平面中移动并且防止可移动块体移动到该平面之外。如将在下文中变得更加清楚地，由于上述的连接装置的构成，可移动块体在移动性平面中的这种位移明显受到限制。
[0068]
在本说明书中，定义了x、y和z方向的正交坐标系，在该正交坐标系中，x方向和y方向属于移动性平面p。
[0069]
系统10还包括致动装置24、26，以分别在移动性平面p中的两个移动块体12、14上施加振荡，以及检测装置28、30，以测量每个移动块体12、14在该同一平面p中的位移并且以本身已知的方式使用该测量值推导出支撑件20相对于惯性坐标系的旋转角度或速度。致动装置24、26和检测装置28、30例如可以由多对指叉式(interdigitised)静电梳组成。在所示的示例中，每对指叉式静电梳属于致动装置24、26也属于检测装置28、30。每对指叉式静电梳在致动器模式和检测器模式下交替作用，交替是以比可移动块体12、14的振荡频率更高的频率发生的。作为一种变型，致动装置24、26和检测装置28、30可以不同。
[0070]
在所示的示例中，致动装置24、26沿着x方向和y方向作用，并且检测装置28、30对可移动块体沿着x和y方向的位移非常敏感。
[0071]
悬挂装置16包括第一连接器件32a，该第一连接器件包括第一连接元件34a、第二连接元件36a以及将第一连接元件34a连接到第二连接元件36a的连接块38a。
[0072]
如图2所示，第一连接元件34a由能够在移动性平面p中弯曲变形的两个弹簧40构成，并且第二连接元件36a由同样能够在移动性平面p内弯曲变形的两个弹簧42构成。
[0073]
作为变型，在本发明的范围内，连接元件34a和36a中仅有一个连接元件可以由多个弹簧形成。
[0074]
在本发明的第一实施例中，弹簧40和42是片弹簧或梁的形式。因此，弹簧40、42的长度分别是它们沿着x轴和y轴的尺寸，弹簧40、42的厚度分别是它们沿着y轴和x轴的尺寸，并且它们的宽度是它们沿着z轴的尺寸，z轴对应于系统10的厚度或深度的方向。
[0075]
图2所示的第一连接器件32a形成可移动块体12(图1)的悬挂装置16的一部分。因
此，第一连接元件34a的弹簧40中的每个具有连接到可移动块体12的第一端部44和连接到连接块38a的第二端部46，而第二连接元件36a的弹簧42中的每个具有连接到支撑件20的第一端部48和连接到连接块38a的第二端部50。
[0076]
连接元件34a和36a中的每个的取向使得第一连接元件34a的弯曲变形能够使可移动块体12相对于连接块38a沿着第一方向(即y方向)从当第一连接元件34a处于静止状态时移动块体12所处于的位置(换句话说，没有弯曲变形)进行移位，而第二连接元件36a的弯曲变形能够使连接块38a相对于支撑件20沿着第二方向(即x方向)从第二连接元件36a处于静止状态时的位置移动。本领域技术人员将理解，对于第一顺序，移动块体12在第一连接元件34a的弯曲变形的作用下仅沿着上述的第一方向移动，并且仅在第二连接元件36a的弯曲变形的作用下仅沿着上述的第二方向移动。
[0077]
特别地，当移动块体12处于静止位置(在该静止位置，如图1所示地，弹簧40、42并未载荷弯曲)时，第一连接元件34a关于第一平面p1(图1a和图2)居中，而第二连接元件36a关于第二平面p2居中，平面p1和p2与移动性平面p正交并且平面p1和p2相交。在所示的实施例中，平面p1和p2有利地彼此正交。
[0078]
此外，连接块38a具有彼此正交的两个面39a、39b，并且第一连接元件34a和第二连接元件36a分别连接到这两个面。如果连接块38a沿着z方向的厚度特别小，则上述的两个面可以被认为是连接块的边缘。
[0079]
因此，第一连接元件34a的两个弹簧40的各自的第二端部46被连接到两个面中的第一个面39a，而第二连接元件36a的两个弹簧42的各自的第二端部50被连接到第二连接元件两个面中的第二个面39b。
[0080]
在图2所示的示例中，连接块38a是成角形支架形式的元件。连接块38a的形状显然可以不同，并且未超出本发明的范围，例如它可以是正方形、矩形或甚至三角形。此外，孔可以沿着z方向穿过连接块38a，以减小该连接块的质量。在mems型系统的情况下，连接块38a尤其可以由弹簧的端部46、50的具有额外厚度的接合部构成，或者通过沉积具有合适的杨氏模量的材料来连接所述端部。
[0081]
因此，一般地，第一连接器件32a可以具有包括通过连接块38a彼此连接的两个连接元件34a、36a的特殊特征。“连接块”是指移动性平面p中的具有比连接元件34a、36a的弯曲刚度更大的弯曲刚度的任何元件。实际上，优选的是，与连接元件34a、36a的柔性相比，移动性平面p中的连接块的柔性可忽略不计。
[0082]
应该注意的是，连接块38a仅通过连接元件34a、36a连接到可移动块体12以及所述系统的其他元件(换言之，在第一连接器件32a的情况下连接到支撑件20)。因此，该连接块38a本身在连接元件34a、36a弯曲变形之后可在移动性平面p中移动。
[0083]
具有平行布置的两个(或更多个)弹簧(换言之，每个弹簧将连接块38a连接到同一元件)的构造可以限制连接块38a在第一连接元件34a或第二连接元件36a的在移动性平面中的弯曲载荷的作用下在该同一平面中旋转移动的趋势，该弯曲载荷是通过在第一端部44和48中的一个和/或第二端部46、50中的一个上施加力而产生。
[0084]
因此，不管施加到连接器件32a的力的方向如何，连接块38a在移动性平面p中保持近似恒定的取向，只要这种力仅产生适度的振幅位移，这特别是在传感器以“回转仪”模式或“陀螺测试仪”模式运行时针对由致动装置24、26引起的振荡的情况而言的。
[0085]
如将在下文中变得更清楚地，悬挂装置16还包括第二连接器件32b和第三连接器件32c，悬挂装置18包括第四连接器件32d，并且弹性联接装置22包括第五连接器件32e。这些器件32b、32c、32d、32e类似于第一连接器件32a，并且因此每个器件包括各自的分别被指定为附图标记34b、34c、34d、34e的第一连接元件、各自的分别被指定为附图标记36b、36c、36d、36e的第二连接元件、以及各自的分别被指定为附图标记38b、38c、38d、38e的连接块。
[0086]
显然，第二连接器件32b和第三连接器件32c以与第一连接器件32a相同的方式连接到移动块体12和支撑件20。关于形成另一个可移动块体14的悬挂装置18的第四连接器件32d，第一连接元件34d的每个弹簧40的第一端部44被连接到该可移动块体14。最后，关于形成弹性联接装置22的第五连接器件32e，第一连接元件34e的每个弹簧40的第一端部44被连接到可移动块体12，而第二连接元件36e的每个弹簧42的第一端部48被连接到另一可移动块体14。
[0087]
在整个说明书中，参照第一连接器件32a来对连接器件32a、32b、32c、32d、32e共同的特性进行描述。
[0088]
在考虑示出了其它类型的连接器件的图3a至图3c(不构成本发明的一部分)之后，根据本发明的连接器件的构造的优点将被更好地理解。
[0089]
图3a示出了控制台梁51，该控制台梁在其端部中的一个(附图标记为b)处被嵌入，并且其另一端部a可以沿着x轴移动。因此，由于端部b是固定的，所以如果沿着y轴的零位移被施加在端部a和b上，则端部a沿着x轴的位移引起沿y轴产生力的梁的长度增加。这在端部a处沿着x轴产生力(该力作为该端部a沿着x轴的位移的函数)的强非线性度。该分析可以与振动绳的模型进行比较，而振动绳的刚度因此以及固有频率作为轴向张力的函数而变化。
[0090]
如果允许端部b沿着y轴移位，则沿着该轴的力变为零。在这种情况下，在a处沿x轴的力的非线性度作为a的位移的函数大大减小，使得所有剩下的是纯粹的几何非线性度。
[0091]
这就是通常使用的单轴弹簧是折叠弹簧的原因，其原理在图3b中示出。该图示出了两个片弹簧52和54(其可以被认为是平面中的两个梁)，它们通过它们的一个端部c彼此连接，并且使它们的另外两个端部中的每个端部分开。这两个弹簧通常是单个弹簧的两个部分，在这种情况下，端部c是通过将弹簧折叠而获得，因此这种类型的弹簧的名称为折叠弹簧。在图3b的示例中，折叠弹簧是单轴类型的。
[0092]
端部c可以沿着y轴自由移动，而端部a仍然被限制为沿着x轴移动，并且端部b沿着两个轴x和y保持固定。因此，在两个弹簧或梁52和54中沿着y轴的力为零，在a处沿着x轴的力仅具有纯粹的几何非线性度，而不存在作为沿着x轴在端部a处的位移的函数的任何预应力。与简单的梁不同，折叠弹簧因此能够非常大地降低三阶非线性度(也被称为“立方非线性度”)。
[0093]
但是，这个原理不能直接扩展到具有两个轴的悬架。
[0094]
图3c示出了具有两个轴的悬架，其由两个彼此正交的弹簧或梁56和58组成。梁56在端部b处沿着y轴的嵌入刚度(由另一梁58引起的)由于梁58沿着y轴的柔性明显小于图3a中的悬臂梁的刚度。其结果是与预应力有关的非线性度大大减少。与预应力有关的并且适用于图3c中所示的具有两个轴的悬架的非线性度与图3a中的嵌入式悬臂梁的非线性度之间的比率与梁的弯曲刚度和其处于压缩状态中的刚度的比率具有相同的数量级。
[0095]
但是，对于这种类型的悬架，端部a沿着x轴的位移引起端部b的不可忽略的旋转位
移，这引起大的纯粹的几何非线性度。
[0096]
现在我们将重新考虑图2中的连接器件32a。在该器件中，由于形成第一连接元件34a和第二连接元件36a的多个弹簧的多重作用，所以连接块38a处的旋转刚度减小。该旋转刚度尤其取决于同一连接元件中的弹簧之间的分隔距离h。
[0097]
由于几何非线性度，区域(在该区域中第一端部44沿着y轴固定到可移动块体12)的相对位移引起连接块38a的水平位移，导致通过弹簧42的弯曲而在弹簧40中引发沿着x轴的应力。但是，如图3c中的悬架的情况那样，该应力远低于被施加至图3a中的嵌入式悬臂梁的应力，因为梁的弯曲刚度本身要比其拉伸/压缩的刚度小得多。
[0098]
针对“mems”型器件进行非线性有限元计算，以便对图2和图3a至图3c中的每个中的器件进行比较。
[0099]
对于这些计算中的每一个，沿y轴的最大位移固定为1μm，弹簧的长度为290μm，并且它们的厚度为6μm。通常，沿着z轴的“mems”器件的深度等于60μm，并且所使用的材料是硅。
[0100]
这些计算的结果在下面以相对于沿着y轴的位移y(以毫米为单位)的力ε(以牛顿为单位)的三阶多项式回归的形式给出，对于：
[0101]-悬臂梁(图3a)：
[0102]
ε＝2.6206y+2.3065.10-38
y2+49697y3；
[0103]-折叠弹簧(图3b)：
[0104]
ε＝2.6147y-2.0498.10-38
y2+64.223y3；
[0105]-双轴悬架(图3c)：
[0106]
ε＝2.5669y+14.055y2+101.73y3；
[0107]-连接器件32a(图2)，其中分隔距离h为10μm：
[0108]
ε＝2.5091y+0.94931y
2-25.25y3；
[0109]-连接器件32a，其中h＝20μm：
[0110]
ε＝2.6030y+0.24324y2+0.045001y3；
[0111]-连接器件32a，其中h＝38μm：
[0112]
ε＝2.6484y+0.073074y2+40.100y3。
[0113]
因此，这些结果证实，假定对分离距离h的值进行了明智的选择(即，在上述示例中，h＝20μm)，则连接器件32a可以显着地降低3阶非线性度。
[0114]
类似地，即使当连接元件34a或36a中仅有一个由多个弹簧组成时，另一个可能由单个弹簧组成，至少对于通过由多个弹簧组成的连接元件34a或36a的弯曲变形引起的位移而言，也可以获得三阶非线性度的降低。
[0115]
而且，在本发明的优选实施例中，第一连接元件34a和第二连接元件36a关于与移动性平面p正交的第三平面p3彼此对称。因此，两个连接元件尤其互相类似。
[0116]
结果是连接器件32a由于该器件的各向同性的特性而具有第二个优点。各向同性是指器件32a作为所施加的力(与力的施加方向无关)的函数而遵守位移定律的能力。
[0117]
两个连接元件34a和36a的对称构造以及连接块38a的旋转位移被阻止或者至少非常受限的事实具有如下结果：在一阶中，连接器件32a的两个连接元件34a和36a的两个连接元件34a和36a分别表现为沿着y轴和x轴的彼此类似的两个独立弹簧。对于这些等效弹簧中
的每一个，作为所施加力的函数的位移定律可以从折叠弹簧的上述多项式回归中推导出。这个多项式回归给出了一个可忽略的二阶系数和一个中等的三阶系数，使得对于小位移而言，该定律可以通过如下的关系类型而近似为一阶：
[0118]-对于第一连接元件34a，f y＝k y，以及
[0119]-对于第二连接元件36a，f y＝k y。
[0120]
因此，无论连接器件32a被载荷的方向如何，由该器件施加的响应于这种载荷的弹性力f针对一阶而言对应于通过等效线性弹簧分别沿x轴和y轴施加的力f x和f y的总和，即：
[0121]
f＝f x+f y＝k x+k y＝k(x+y)
[0122]
因此，连接器件32a像线性弹簧那样作用，其相对于移动性平面p中的任何载荷都具有与相同的刚度系数k。因此，该器件遵守作为针对一阶的力的函数的位移的定律，并不取决于力在移动性平面p中的取向。
[0123]
图4至图6示出了连接器件32a的一种变型，其具有与以上针对图2中的器件所描述的性质相同的性质的优点。
[0124]
因此，在图4所示的示例中，每个连接元件34a、36a包括三个或更多个弹簧40、42。这可以进一步增加连接块38a处的旋转刚度。
[0125]
在图5所示的本发明的第二实施例中，第一连接元件34a和第二连接元件36a中的每一个在连接块38a的两个相对应的延伸部60、62之间延伸，这两个对相应的延伸部即：从连接块38a的第一面39a开始面对彼此的两个延伸部60以及从连接块38a的第二面39b开始面对彼此延伸的两个延伸部62。
[0126]
此外，每个连接元件34a、36a具有两个弹簧70、72，并且每个弹簧都是折叠的片或梁的形式。换言之，这些弹簧是“折叠”型的，因此对应于图3b中的弹簧。第一连接元件34a的每个弹簧70的第一端部44被连接到可移动块体12，并且每个弹簧70的第二端部46被连接到连接块38a的相应的延伸部60，例如被连接到远端60a。类似地，第二连接元件36a的每个弹簧72的第一端部48被连接到支撑件20，并且每个弹簧72的第二端部50被连接到连接块38a的相应的延伸部62，例如被连接到延伸部62的远端62a。
[0127]
如图5所示，每个弹簧70因此沿着平行于第一平面p1的方向伸长。类似地，每个弹簧72沿着平行于第二平面p2的方向伸长。
[0128]
优选地，每个弹簧70包括具有相同长度的两个平直部分73a，这两个平直部分以平行于第一平面p1的方式延伸并且在弹簧的折叠部74处彼此连接。类似地，每个弹簧72包括具有相同长度的两个平直部分73b，这两个平直部分以平行于第二平面p2的方式延伸并且在弹簧的折叠部76处彼此连接。端部44和46因此被布置成彼此面对。这同样适用于端部48和50。
[0129]
在所示的示例中，第一连接元件34a的弹簧70的折叠部74彼此连接。这同样适用于第二连接元件36a的弹簧72的相应的折叠部76。这种构造限制了弹簧70(和72)平行地工作并限制了连接器件32a的自由度。
[0130]
在图6所示的本发明的第三实施例中，具有用于第一连接元件34a和第二连接元件36a中的每个的两个弹簧80、82。此外，第一连接元件34a的弹簧80在移动块体12的延伸部82的每一侧上延伸，而第二连接元件36a的弹簧84在支撑件20的延伸部86的每一侧上延伸。这
些弹簧80、84中的每个呈折叠的片或梁的形式。弹簧80、84中的每个的第二端部46、50被连接到连接块38a。而且，每个弹簧80的第一端部44例如在该延伸部的远端82a处被连接到移动块体12的延伸部82，而每个弹簧84的第一端部48被连接到支撑件20的延伸部86，例如被连接到该延伸部86的远端86a。
[0131]
如图6所示，每个弹簧80因此沿着平行于第一平面p1的方向伸长。类似地，每个弹簧84沿着平行于第二平面p2的方向伸长。
[0132]
优选地，每个弹簧80包括具有相同长度的两个平直部分87a，这两个平直部分87a以平行于第一平面p1的方式延伸并且在弹簧的折叠部88处彼此连接。类似地，每个弹簧84包括具有相同长度的两个平直部分87b，这两个平直部分87b以平行于第二平面p2的方式延伸并且在弹簧的折叠部90处彼此连接。端部44和46被布置成彼此面对。这同样适用于端部48和50。最后，弹簧80的折叠部88被布置成面向可移动块体12，而弹簧84的折叠部90位于面向支撑部20的位置。
[0133]
在所有的优选实施例中，第一连接元件34a的弹簧从连接块38a的第一端部延伸，而第二连接元件36a的弹簧从连接块38a的第二端部延伸。
[0134]
本领域技术人员将清楚，连接器件32a不能实现如上所述的功能，除非连接块38a仅被连接到第一连接元件34a和第二连接元件36a，否则连接器件32a将不能提供弹性悬挂或者可移动块体12与支撑件20之间的联接。换言之，连接块38a独立于除第一连接元件34a和第二连接元件36a之外的所有元件。
[0135]
具体地，图1示出了连接装置16、18、22的示例布局，以在系统内从连接器件(诸如惯性角度传感器)的线性度和各向同性特性获得最佳益处。
[0136]
在所示的系统10中，可移动块体12整体为方形环状形式，并且其具有与第一连接器件32a的第一平面p1平行的第一对称平面ps1以及与第一连接装置32a的第二平面p2平行的第二对称平面ps2。这些对称平面ps1和ps2与移动性平面p正交。
[0137]
此外，可移动块体12的悬挂装置16还包括第二连接器件32b，该第二连接器件类似于第一连接器件32a，并被布置成使得第二连接器件32b的第一连接元件34b以平行于第一连接器件32a的第二连接元件36a的方式延伸，并且使得第一连接器件32a和第二连接器件32b关于与移动性平面p和第三平面p3正交的第四平面p4彼此对称。此外，第四平面p4形成移动块体12的另一对称平面(与平面ps1和平面ps2不同的平面)，该对称平面实际上是可移动块体12的对角平面。
[0138]
应该注意，在每个连接器件32a和32b中的每个的连接元件中仅有一个由两个或更多个弹簧组成的其他有利的实施例中，连接器件32a和32b可以通过关于与移动性平面p正交并穿过第三平面p3的轴线轴向对称而互相成像(例如，该轴线对应于图1中的第三平面p3和第四平面p4之间的交集)。
[0139]
此外，第一连接器件32a和第二连接器件32b被布置成靠近可移动块体12的拐角92。在所示的示例中，悬挂装置16被布置在可移动块体12的内部。该可移动块体在其四个拐角处包括被布置在其内部边缘94上的凹部，并且凹部相交汇以便在可移动块体12的每个内部拐角处形成方形突起95。该突起95具有分别与可移动块体12的侧部12a、12b平行并且从侧部12a、12b偏移的侧部96a、96b，以及与可移动块体12的相应的对角平面重合的对角平面。连接元件32a、32b分别被连接到相应的突起95的侧部96b、96a，并且对称地位于该突起
95的对角平面(该对角平面与第四平面p4重合)的每一侧上。
[0140]
悬挂装置16还包括第三连接器件32c，该第三连接器件类似于第一连接器件32a，并且使得第一连接器件32a、第二连接器件32b以及第三连接器件32c形成第一图案100，该第一图案在围绕可移动块体12的惯性中心102旋转90度的情况下不变。
[0141]
例如，第三连接器件32c分布在三对器件中，每对器件与第一连接器件32a和第二连接器件32b组成的一对器件类似，并且被连接到相应的突起95。
[0142]
因此，所示的系统10提供了一个示例，在该示例中，悬挂装置16除了具有良好的线性性能之外还具有整体各向同性的性质。
[0143]
此外，如上所述，所示的系统10包括具有与可移动块体12相同的质量的另一可移动块体14，并且该另一可移动块体14被布置成使得每个可移动块体12和14的惯性中心重合。例如，另一可移动块体14形成围绕可移动块体12的方形框架。可移动块体12可以是实心部件或者可以被穿孔。另一可移动块体14通过悬挂装置18连接到支撑件20，并且通过弹性联接装置22连接到可移动块体12上。如图1所示，悬挂装置18和弹性联接装置22以与上述的悬挂装置16类似的方式被布置，因此而形成第二图案和第三图案，在围绕惯性中心102旋转90度时，该第二图案和第三图案不变。因此，另一可移动块体14的悬架以及两个可移动块体12、14的两个弹性联接装置也具有良好的线性度性能并且整体是各向同性的。
[0144]
最后，在所描述的示例中，另一移动块体14的致动装置26被设计成在该另一移动块体14上以相对于由可移动块体12的通过该可移动块体12的致动装置24引起的振荡相反的相位给予振荡。因此，两个整体的块体12、14的整体的惯性中心在运行期间实际上保持静止。换言之，致动装置24、26和连接装置16、18、22以相反的方向对两个可移动块体12、14永久地施加相同的大小的力，从而使得系统10的运行被完美地平衡。
[0145]
因此，传感器10不仅可以用于“陀螺测试仪”模式(换言之，对被施加到两个可移动块体12、14的科里奥利力进行测量的运行模式)，而且还可以用于“陀螺仪”模式(换言之，沿着两个可移动块体12、14的振荡方向的角度漂移可以直接提供关于传感器10关于与z方向平行的轴线进行旋转的信息的运行模式)。
[0146]
显然，可以在图1和图1a上看到的传感器10的构造仅作为说明性示例给出，并且其他类型的传感器或更一般的系统可以有利地使用本发明所公开的连接器件。例如，它们可以是两个可移动块体在其中被并排布置的平衡传感器，和/或是两个可移动块体通过机械联接器件在其中被联接的传感器，或者是具有单个可移动块体或具有三个或更多个的可移动块体的传感器，和/或是支撑件在其中被安装成相对于框架自由移动从而可以使用主动平衡装置的传感器。传感器也可以被用于各种谐振系统或开关。
[0147]
在上述的特别有利的应用中，显然可以使用线性且各向同性的连接器件来制造在平面中具有变性的振动模式的振动回转仪谐振器。此外，上述的连接器件的特定的几何形状使得自然模式能够优选地沿着谐振器的几何轴线来取向，并且使得该取向对可能在弹簧中引入不对称性的任何制造缺陷相对不敏感。