改良的共振器的制造方法

改良的共振器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种具有闭合反馈阻尼回路的机械共振器(30)。所述机械共振器中的位移被由所述闭合反馈回路决定的阻尼力阻止，所述闭合反馈回路包括具有相关的相位调节的信号处理滤波器(33)。本发明实现了允许高的信号放大率的无振荡构造。
【专利说明】改良的共振器

【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械共振器，且特别地，涉及如在独立权利要求的前序部分中所定义 的控制元件、机械共振器和该机械共振器的操作方法。

【背景技术】
[0002] 微机电系统（MEMS)可以被定义为小型化的机械和机电系统，这些系统中至少一 些元件具有机械功能。因为MEMS器件都是利用被用来创建集成电路的相同工具而创建的， 所以能够在同一片硅上制造出微型机械装置和微电子学装置，从而使得机器具有智能。
[0003]MEMS结构能够被应用于迅速且精确地检测例如在惯性传感器中的非常小的位移。 例如，在加速计中，该装置的主体中的悬置于弹簧结构上的质量块可以与该装置的加速度 成比例地发生位移，并且该质量块的这些位移被检测出来。作为固体对象，该质量块-弹簧 结构通常具有共振频率，它通过在被称为它的共振频率的某些频率下以比其他频率下的振 幅大的振幅自然地振荡而表现出共振或共振行为。因此，在这些共振频率下的位移远大于 在其他频率下的位移，并且它在MEMS结构的小型化尺寸中引起了会干扰检测的过载。
[0004] 这些干扰通常能够通过所检测的运动的阻尼而被消除。传统方法是使用被动气体 阻尼，但是对于许多应用来说，气体阻尼过于非线性且引起了过多的对系统的操作不利的 效果。在像振动陀螺仪这样的一些构造中，气体阻尼甚至不能应用，因为对原始振动的共振 激励的阻尼必须保持为低。
[0005] 在反馈阻尼或主动阻尼中，所检测的位移被监控且相对力被生成以阻止运动。在 已知系统中，利用如下的闭合反馈回路来实施主动阻尼：该闭合反馈回路包括微分器和响 应于微分器信号的换能器。微分器具有许多性能，因为这些性能，微分器能够非常适用于控 制机械共振器中的位移的阻尼。然而，问题在于，结构极少是理想的，并且在现实生活的共 振器中存在着额外的机械共振模式。当微分器输出信号被放大以生成适当高的阻尼力时， 所述反馈回路非常容易开始破坏性地振荡。


【发明内容】

[0006] 本发明的目的是提供用于机械共振器系统的改进的电反馈机构。本发明的目的是 利用根据独立权利要求的特征部分的控制元件、机械共振器和方法而实现的。
[0007] 在从属权利要求中披露了本发明的优选实施例。
[0008] 本发明是以在阻尼反馈回路中包括信号处理滤波器的思想为基础的。闭合反馈回 路的反馈的符号可以根据所述信号处理滤波器的类型而被调整。优选地，信号处理滤波器 的响应函数具有与受阻尼的机械共振器的共振频率基本上一致的共振频率特性。提供了允 许所检测的信号的有效放大率的稳定共振器。共振响应与非共振响应之间的重大差别能够 被应用以避免所述机械共振器的所述闭合反馈回路中的不想要的振荡。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 下面，将参照附图且与优选实施例相结合来更详细地说明本发明。附图中：
[0010] 图1图示了适用于将位移转换成电信号的质量块-弹簧系统；
[0011] 图2图示了适用于将位移转换成电信号的另一种质量块-弹簧系统；
[0012] 图3示出了简化的示例性传感装置的框图；
[0013] 图4图示了示例性机械共振器的构造；
[0014] 图5示出了示例性机械共振器的传递函数；
[0015] 图6示出了示例性机械共振器的相位传递图；
[0016] 图7示出了受阻尼的机械共振器系统中的示例性传统闭合回路传递函数；
[0017] 图8示出了受阻尼的机械共振器系统的相位传递图；
[0018] 图9示出了基本的1个自由度的机械共振器的示意性模型；
[0019] 图10示出了具有附加的质量块-弹簧系统的机械共振器构造的示意性模型；
[0020] 图11示出了示例性传递函数的模拟打印输出；
[0021] 图12图示了根据本发明实施例的装置；
[0022] 图13示出了示例性微分器和示例性低通滤波器的传递函数；
[0023] 图14示出了具有低通滤波器的闭合回路的振幅响应函数；
[0024] 图15示出了具有低通滤波器的闭合回路的相位响应函数；
[0025] 图16示出了具有高通滤波器的闭合回路的振幅响应函数；
[0026] 图17示出了具有高通滤波器的闭合回路的相位响应函数；
[0027] 图18示出了具有带通滤波器和全通滤波器的组合的闭合回路的振幅响应函数；
[0028] 图19示出了具有带通滤波器和全通滤波器的组合的闭合回路的相位响应函数。

【具体实施方式】
[0029] 下面的实施例是示例性的。虽然说明书可能提及"某个"、"一个"或"一些"实施 例，但是这不一定意味着每个这样的提及是相同实施例，或者意味着该特征只适用于单个 实施例。不同实施例的单个特征可以结合起来以提供另外的实施例。
[0030] 下面，将利用可以实施本发明各种实施例的装置构造的简单示例来说明本发明的 特征。只详细说明与为了阐明各实施例有关的元件。控制元件、共振器装置和方法的各种 实施方式包括本领域技术人员普遍已知的元件，并且这里可能不会再做具体说明。
[0031] 在此，换能器指的是将一种形式的能量转换成另一种形式的能量的装置。例如，传 感装置或传感器指的是能够检测物理性能且将该物理性能转换成可测量信号的装置或系 统。代表性地，该物理性能本身呈现为一种形式的能量，并且在传感器中利用换能器装置而 被转换成另一种形式的能量。该物理性能和用来检测该形式的能量的手段可以根据应用而 变化。在一类传感器中，代表着所检测的物理性能的特性可以包括参考点的相对于惯性参 照系的位移的检测。例如，该位移可以作为悬置的检验质量块（proof-mass)的移动而被检 测出来，或者可以作为作用于与承载着该检验质量块的弹性悬架连接的换能器元件上的应 力或应变而被检测出来。所检测的位移、应力或应变可以被用来调制电信号，这使得该物理 性能可以被非常精确地测量。作为另一个示例，在致动器中，换能器可以被用来将电能转换 成某种形式的运动。
[0032] -类换能器装置以如下的方式把有质量块悬置于弹簧上的质量块-弹簧系统应 用于主体，该方式是：施加于该质量块上的力或者该主体的加速度致使该质量块发生成比 例的位移。依靠电气线路，该质量块的移动可以被检测且被转换成可测量的电信号。当所 述主体静止且没有净力作用于该质量块上时，质量块-弹簧系统处于平衡状态。如果该系 统从所述平衡发生位移，那么所述弹簧会在该质量块上引起净回复力，该净回复力往往会 使系统回到平衡。然而，在移回至平衡位置时，质量块获得使其保持移动而超越这个位置的 动量，由此在相反的方面建立了新的回复力。因此，该质量块开始在平衡状态附近振荡。该 质量块可能是偏置的，然后它的相对于静止电极的移动被转换成电信号。因而，该质量块的 谐振荡转变成交替的电信号，这些电信号表示主体相对于惯性参照系的移动。
[0033]图1示出了适用于将位移转换成电信号的质量块-弹簧系统的简化示例。该系统 可以具有检验质量块10和在锚固点12处被锚固到感测对象（未示出）的弹簧元件11。该 系统还可以具有一个以上的被锚固到主体上的静止电极13和一个以上的与检验质量块10 的运动连接的活动电极14。图1中用于测量位移的换能器可以基于如下的电容效应：其中， 当电极13与14之间距离改变时，它们之间的电容改变。电容的这种改变可以被用来调制 从该换能器输出的电信号。
[0034] 图2示出了另一种类型的电容性换能器；相同的附图标记被用来表示图1和图2 中的相应元件。在图2的换能器中，电信号的调制对应于电极13和14的重叠面积的变化。 图1和图2所示的换能器基于电容效应来测量检验元件的位移，但是可以采用：其他类型的 检验元件，它们标示了例如被施加于该检验元件上的应力或应变；以及其他类型的效应，像 将所检测到的对物理性能的标示转换成电信号的压电效应和电磁效应。
[0035] 固体对象通常具有固有频率或者频率组，在这些频率下，这些固体对象往往以比 在其他频率下的振幅大的振幅振荡。质量块-弹簧系统通常共振，且因此被看作共振器。该 共振是如下的特性：其对一些应用可能有用，但是在其他应用中其可能会严重妨碍操作。在 惯性传感过程中，当振动的频率与系统的共振频率一致时，质量块-弹簧系统很容易过载。 为了避免这些不想要的副作用，质量块-弹簧系统的共振需要被阻尼。
[0036] 在一些装置中，气体阻尼被用来减少共振的效应。然而，当追求相对于噪声和线性 的最终性能时，气体阻尼不是理想的机制，因为气体阻尼可能会极其非线性地成为质量块 的位移的函数。所述非线性会导致振动的平移发生偏移，即被称为振动矫正的现象。所述 非线性还会因为特定的耗散机制而引入新的噪声源。
[0037] 同样，振动陀螺仪可以借助于质量块-弹簧系统而被模型化，通过用转动惯量替 代相关质量、用角度替代位移和用转矩替代力，在此所讨论的线性共振器的任何概念都能 够被直接地推广到扭转共振器。就振动陀螺仪而言，共振效应甚至更有问题；不能使用气体 阻尼，因为对于一级振动的共振激励来说阻尼必须低。在陀螺仪中，该问题按照惯例是通过 如下方式而被解决的：将次级共振器的Q值（qualityfactor:品质因子）增大直至成千上 万且利用过载裕度来应对过载效应。
[0038] 可替代的阻尼方法是利用反馈回路的主动电气阻尼。位移在第一换能器中生成电 信号，该电信号在反馈回路中被转换成修正信号，该修正信号控制针对该位移而要施加的 机械力从而消除或至少减小所检测到的移动。图3示出了简化的示例性共振器装置30的 框图，以图示主动电气阻尼机构的反馈回路的操作。图3的装置包括第一机械共振器31，第 一机械共振器31包括位移传感换能器TR1和测力换能器TR2。图4示出了如下的框图：该 框图图示了图3中的示例性机械共振器31的更详细构造。
[0039] 图4的机械共振器包括检验质量块40和在锚固点42处被锚固到感测对象（未示 出）的弹簧元件41。该系统具有一个以上的被锚固到主体上的静止TR1电极43和一个以 上的与检验质量块40的运动连接的活动TR1电极44。这些电极43、44形成了如将要利用 图3来说明的电容性位移测量换能器。该系统还具有一个以上的被锚固到主体上的静止 TR2电极45和一个以上的与检验质量块40的运动连接的活动TR2电极46。这些电极45、 46形成了生成力的静电换能器。
[0040] 需要注意的是，图4中的电容性和静电换能器只是示例。本领域的每个技术人员 可以清楚地知道，图3的换能器TR1和TR2可以基于任何换能器原理。例如，第一换能器可 以被构造成基于电容效应、压电效应、电磁效应或压阻效应（piezoresistiveeffect)而借 助于运动、应力或应变来检测位移。第二换能器可以被构造成基于静电效应、压电效应、电 磁效应、热弹效应、电致伸缩或磁致伸缩而借助于力、转矩、应力或应变来引起位移。
[0041] 再次参照图3,机械共振器31中的检验质量块的位移可以利用TR1电极（图4 中的43、44)而被电力地测量并且可以被转换成电信号S1。第一电信号S1可以被放大器 (AMP1) 32放大，并且放大后的信号经由控制器33而被馈送给测力换能器TR2。TR2被构造 成利用TR2电极（图4中的45、46)来向检验质量块施加对应于第二电信号S2的机械力。 S2被馈送给TR2且与所检测到的位移的相位关系如下：检验质量块的移动被阻尼了，即被 所施加的力减小了。
[0042] 图3中的机械共振器31的传递函数是：
[0043]

【权利要求】
1. 一种控制元件（33)，其包括： 第一电信号（S1)的输入端，所述第一电信号与机械共振器中的参考点的位移对应，所 述参考点的所述位移响应于作用在所述质量块上的力； 第二电信号（S2)的输出端，所述第二电信号规定了要被作用于所述机械共振器上的 阻尼反馈力； 信号处理滤波器，所述信号处理滤波器用于根据特定响应函数而生成所述第二电信 号，所述响应函数规定了所述第一电信号的值与所述第二电信号的值之间的对应。
2. 根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，所述第一电信号具有第一共振频率， 并且所述响应函数是具有与所述第一共振频率基本上一致的共振频率特性的频率响应函 数。
3. 根据权利要求2所述的控制元件，其特征在于，所述信号处理滤波器的品质因子大 于1。
4. 根据权利要求3所述的控制元件，其特征在于，所述信号处理滤波器的品质因子在3 至10的范围内。
5. -种共振器装置（30)，其包括： 机械共振器（31); 闭合反馈回路，所述闭合反馈回路包括第一换能器（43、44)、第二换能器（45、46)和控 制元件（33); 所述第一换能器被构造成输出第一电信号（S1)，所述第一电信号与所述机械共振器中 的参考点相对于惯性参照系的位移对应，所述第一电信号具有第一共振频率； 所述控制元件（33)被电耦合至所述第一换能器和所述第二换能器； 所述控制元件被构造成从所述第一换能器接收所述第一电信号（S1)且根据特定响应 函数而生成第二电信号（S2)，所述响应函数规定了所述第一电信号的值与所述第二电信号 的值之间的对应； 所述控制元件被构造成将所述第二电信号（S2)馈送给所述第二换能器； 所述第二换能器被构造成向所述机械共振器（31)施加与所述第二电信号对应的阻尼 力； 所述控制元件是信号处理滤波器。
6. 根据权利要求5所述的共振器装置，其特征在于，所述信号处理滤波器的所述响应 函数具有与所述第一共振频率基本上一致的共振频率特性。
7. 根据权利要求6所述的共振器装置，其特征在于，所述信号处理滤波器的品质因子 大于1。
8. 根据权利要求7所述的共振器装置，其特征在于，所述信号处理滤波器的品质因子 在3至10的范围内。
9. 根据权利要求5至8中任一项所述的共振器装置，其特征在于，在比所述第一共振频 率低的频率下所述闭合反馈回路的回路增益小于1。
10. 根据权利要求9所述的共振器装置，其特征在于，在比所述第一共振频率低的频率 下所述闭合反馈回路的回路增益在〇. 1至〇. 3的范围内。
11. 根据权利要求5至10中任一项所述的共振器装置，其特征在于，所述共振频率特性 相对于所述第一共振频率的偏差小于50%。
12. 根据权利要求11所述的共振器装置，其特征在于，所述共振频率特性相对于所述 第一共振频率的偏差小于20%。
13. 根据权利要求5至12中任一项所述的共振器装置，其特征在于，所述控制元件是低 通滤波器，且所述闭合反馈回路的反馈为正。
14. 根据权利要求5至12中任一项所述的共振器装置，其特征在于，所述控制元件是高 通滤波器，且所述闭合反馈回路的反馈为负。
15. 根据权利要求5至12中任一项所述的共振器装置，其特征在于，所述控制元件是带 通滤波器和全通滤波器的组合，且所述闭合反馈回路的反馈为正。
16. 根据权利要求5至12中任一项所述的共振器装置，其特征在于，所述控制元件是全 通滤波器，且所述闭合反馈回路的反馈为正。
17. 根据权利要求5至16中任一项所述的共振器装置，其特征在于，所述传感装置是 MHMS器件。
18. 根据权利要求5至17中任一项所述的共振器装置，其特征在于，所述第一换能器被 构造成基于电容效应、压电效应、电磁效应或压阻效应而借助于运动、应力或应变来检测位 移。
19. 根据权利要求5至18中任一项所述的共振器装置，其特征在于，所述第二换能器被 构造成基于静电效应、压电效应、电磁效应、热弹效应、电致伸缩或磁致伸缩而借助于力、转 矩、应力或应变来引起位移。
20. 根据权利要求5至19中任一项所述的共振器装置，其特征在于，所述共振器装置是 传感器装置或致动器装置。
21. -种用于控制机械共振器的操作的方法，其包括： 使所述机械共振器耦合至闭合反馈回路，所述闭合反馈回路包括第一换能器、第二换 能器和控制元件； 将第一电信号从所述第一换能器输出至所述控制元件，所述第一电信号与所述机械共 振器中的参考点相对于惯性参照系的位移对应，所述第一电信号具有第一共振频率； 根据特定响应函数在所述控制元件中生成第二电信号，所述响应函数规定了所述第一 电信号的值与所述第二电信号的值之间的对应，所述控制元件是信号处理滤波器； 将来自所述控制元件的所述第二电信号馈送给所述第二换能器； 利用所述第二换能器向所述机械共振器施加阻尼力，所述阻尼力对应于所述第二电信 号且阻止所述位移。
22. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述信号处理滤波器的所述响应函数 具有与所述第一共振频率基本上一致的共振频率特性。
【文档编号】H03H9/02GK104411618SQ201380034908
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年6月25日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】海基·库斯玛 申请人:株式会社村田制作所