改良的共振器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種具有閉合反饋阻尼回路的機械共振器(30)。所述機械共振器中的位移被由所述閉合反饋回路決定的阻尼力阻止，所述閉合反饋回路包括具有相關的相位調節的信號處理濾波器(33)。本發明實現了允許高的信號放大率的無振蕩構造。
【專利說明】改良的共振器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及機械共振器，且特別地，涉及如在獨立權利要求的前序部分中所定義 的控制元件、機械共振器和該機械共振器的操作方法。

【背景技術】
[0002] 微機電系統（MEMS)可以被定義為小型化的機械和機電系統，這些系統中至少一 些元件具有機械功能。因為MEMS器件都是利用被用來創建集成電路的相同工具而創建的， 所以能夠在同一片硅上制造出微型機械裝置和微電子學裝置，從而使得機器具有智能。
[0003]MEMS結構能夠被應用于迅速且精確地檢測例如在慣性傳感器中的非常小的位移。 例如，在加速計中，該裝置的主體中的懸置于彈簧結構上的質量塊可以與該裝置的加速度 成比例地發生位移，并且該質量塊的這些位移被檢測出來。作為固體對象，該質量塊-彈簧 結構通常具有共振頻率，它通過在被稱為它的共振頻率的某些頻率下以比其他頻率下的振 幅大的振幅自然地振蕩而表現出共振或共振行為。因此，在這些共振頻率下的位移遠大于 在其他頻率下的位移，并且它在MEMS結構的小型化尺寸中引起了會干擾檢測的過載。
[0004] 這些干擾通常能夠通過所檢測的運動的阻尼而被消除。傳統方法是使用被動氣體 阻尼，但是對于許多應用來說，氣體阻尼過于非線性且引起了過多的對系統的操作不利的 效果。在像振動陀螺儀這樣的一些構造中，氣體阻尼甚至不能應用，因為對原始振動的共振 激勵的阻尼必須保持為低。
[0005] 在反饋阻尼或主動阻尼中，所檢測的位移被監控且相對力被生成以阻止運動。在 已知系統中，利用如下的閉合反饋回路來實施主動阻尼：該閉合反饋回路包括微分器和響 應于微分器信號的換能器。微分器具有許多性能，因為這些性能，微分器能夠非常適用于控 制機械共振器中的位移的阻尼。然而，問題在于，結構極少是理想的，并且在現實生活的共 振器中存在著額外的機械共振模式。當微分器輸出信號被放大以生成適當高的阻尼力時， 所述反饋回路非常容易開始破壞性地振蕩。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的是提供用于機械共振器系統的改進的電反饋機構。本發明的目的是 利用根據獨立權利要求的特征部分的控制元件、機械共振器和方法而實現的。
[0007] 在從屬權利要求中披露了本發明的優選實施例。
[0008] 本發明是以在阻尼反饋回路中包括信號處理濾波器的思想為基礎的。閉合反饋回 路的反饋的符號可以根據所述信號處理濾波器的類型而被調整。優選地，信號處理濾波器 的響應函數具有與受阻尼的機械共振器的共振頻率基本上一致的共振頻率特性。提供了允 許所檢測的信號的有效放大率的穩定共振器。共振響應與非共振響應之間的重大差別能夠 被應用以避免所述機械共振器的所述閉合反饋回路中的不想要的振蕩。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 下面，將參照附圖且與優選實施例相結合來更詳細地說明本發明。附圖中：
[0010] 圖1圖示了適用于將位移轉換成電信號的質量塊-彈簧系統；
[0011] 圖2圖示了適用于將位移轉換成電信號的另一種質量塊-彈簧系統；
[0012] 圖3示出了簡化的示例性傳感裝置的框圖；
[0013] 圖4圖示了示例性機械共振器的構造；
[0014] 圖5示出了示例性機械共振器的傳遞函數；
[0015] 圖6示出了示例性機械共振器的相位傳遞圖；
[0016] 圖7示出了受阻尼的機械共振器系統中的示例性傳統閉合回路傳遞函數；
[0017] 圖8示出了受阻尼的機械共振器系統的相位傳遞圖；
[0018] 圖9示出了基本的1個自由度的機械共振器的示意性模型；
[0019] 圖10示出了具有附加的質量塊-彈簧系統的機械共振器構造的示意性模型；
[0020] 圖11示出了示例性傳遞函數的模擬打印輸出；
[0021] 圖12圖示了根據本發明實施例的裝置；
[0022] 圖13示出了示例性微分器和示例性低通濾波器的傳遞函數；
[0023] 圖14示出了具有低通濾波器的閉合回路的振幅響應函數；
[0024] 圖15示出了具有低通濾波器的閉合回路的相位響應函數；
[0025] 圖16示出了具有高通濾波器的閉合回路的振幅響應函數；
[0026] 圖17示出了具有高通濾波器的閉合回路的相位響應函數；
[0027] 圖18示出了具有帶通濾波器和全通濾波器的組合的閉合回路的振幅響應函數；
[0028] 圖19示出了具有帶通濾波器和全通濾波器的組合的閉合回路的相位響應函數。

【具體實施方式】
[0029] 下面的實施例是示例性的。雖然說明書可能提及"某個"、"一個"或"一些"實施 例，但是這不一定意味著每個這樣的提及是相同實施例，或者意味著該特征只適用于單個 實施例。不同實施例的單個特征可以結合起來以提供另外的實施例。
[0030] 下面，將利用可以實施本發明各種實施例的裝置構造的簡單示例來說明本發明的 特征。只詳細說明與為了闡明各實施例有關的元件。控制元件、共振器裝置和方法的各種 實施方式包括本領域技術人員普遍已知的元件，并且這里可能不會再做具體說明。
[0031] 在此，換能器指的是將一種形式的能量轉換成另一種形式的能量的裝置。例如，傳 感裝置或傳感器指的是能夠檢測物理性能且將該物理性能轉換成可測量信號的裝置或系 統。代表性地，該物理性能本身呈現為一種形式的能量，并且在傳感器中利用換能器裝置而 被轉換成另一種形式的能量。該物理性能和用來檢測該形式的能量的手段可以根據應用而 變化。在一類傳感器中，代表著所檢測的物理性能的特性可以包括參考點的相對于慣性參 照系的位移的檢測。例如，該位移可以作為懸置的檢驗質量塊（proof-mass)的移動而被檢 測出來，或者可以作為作用于與承載著該檢驗質量塊的彈性懸架連接的換能器元件上的應 力或應變而被檢測出來。所檢測的位移、應力或應變可以被用來調制電信號，這使得該物理 性能可以被非常精確地測量。作為另一個示例，在致動器中，換能器可以被用來將電能轉換 成某種形式的運動。
[0032] -類換能器裝置以如下的方式把有質量塊懸置于彈簧上的質量塊-彈簧系統應 用于主體，該方式是：施加于該質量塊上的力或者該主體的加速度致使該質量塊發生成比 例的位移。依靠電氣線路，該質量塊的移動可以被檢測且被轉換成可測量的電信號。當所 述主體靜止且沒有凈力作用于該質量塊上時，質量塊-彈簧系統處于平衡狀態。如果該系 統從所述平衡發生位移，那么所述彈簧會在該質量塊上引起凈回復力，該凈回復力往往會 使系統回到平衡。然而，在移回至平衡位置時，質量塊獲得使其保持移動而超越這個位置的 動量，由此在相反的方面建立了新的回復力。因此，該質量塊開始在平衡狀態附近振蕩。該 質量塊可能是偏置的，然后它的相對于靜止電極的移動被轉換成電信號。因而，該質量塊的 諧振蕩轉變成交替的電信號，這些電信號表示主體相對于慣性參照系的移動。
[0033]圖1示出了適用于將位移轉換成電信號的質量塊-彈簧系統的簡化示例。該系統 可以具有檢驗質量塊10和在錨固點12處被錨固到感測對象（未示出）的彈簧元件11。該 系統還可以具有一個以上的被錨固到主體上的靜止電極13和一個以上的與檢驗質量塊10 的運動連接的活動電極14。圖1中用于測量位移的換能器可以基于如下的電容效應：其中， 當電極13與14之間距離改變時，它們之間的電容改變。電容的這種改變可以被用來調制 從該換能器輸出的電信號。
[0034] 圖2示出了另一種類型的電容性換能器；相同的附圖標記被用來表示圖1和圖2 中的相應元件。在圖2的換能器中，電信號的調制對應于電極13和14的重疊面積的變化。 圖1和圖2所示的換能器基于電容效應來測量檢驗元件的位移，但是可以采用：其他類型的 檢驗元件，它們標示了例如被施加于該檢驗元件上的應力或應變；以及其他類型的效應，像 將所檢測到的對物理性能的標示轉換成電信號的壓電效應和電磁效應。
[0035] 固體對象通常具有固有頻率或者頻率組，在這些頻率下，這些固體對象往往以比 在其他頻率下的振幅大的振幅振蕩。質量塊-彈簧系統通常共振，且因此被看作共振器。該 共振是如下的特性：其對一些應用可能有用，但是在其他應用中其可能會嚴重妨礙操作。在 慣性傳感過程中，當振動的頻率與系統的共振頻率一致時，質量塊-彈簧系統很容易過載。 為了避免這些不想要的副作用，質量塊-彈簧系統的共振需要被阻尼。
[0036] 在一些裝置中，氣體阻尼被用來減少共振的效應。然而，當追求相對于噪聲和線性 的最終性能時，氣體阻尼不是理想的機制，因為氣體阻尼可能會極其非線性地成為質量塊 的位移的函數。所述非線性會導致振動的平移發生偏移，即被稱為振動矯正的現象。所述 非線性還會因為特定的耗散機制而引入新的噪聲源。
[0037] 同樣，振動陀螺儀可以借助于質量塊-彈簧系統而被模型化，通過用轉動慣量替 代相關質量、用角度替代位移和用轉矩替代力，在此所討論的線性共振器的任何概念都能 夠被直接地推廣到扭轉共振器。就振動陀螺儀而言，共振效應甚至更有問題；不能使用氣體 阻尼，因為對于一級振動的共振激勵來說阻尼必須低。在陀螺儀中，該問題按照慣例是通過 如下方式而被解決的：將次級共振器的Q值（qualityfactor:品質因子）增大直至成千上 萬且利用過載裕度來應對過載效應。
[0038] 可替代的阻尼方法是利用反饋回路的主動電氣阻尼。位移在第一換能器中生成電 信號，該電信號在反饋回路中被轉換成修正信號，該修正信號控制針對該位移而要施加的 機械力從而消除或至少減小所檢測到的移動。圖3示出了簡化的示例性共振器裝置30的 框圖，以圖示主動電氣阻尼機構的反饋回路的操作。圖3的裝置包括第一機械共振器31，第 一機械共振器31包括位移傳感換能器TR1和測力換能器TR2。圖4示出了如下的框圖：該 框圖圖示了圖3中的示例性機械共振器31的更詳細構造。
[0039] 圖4的機械共振器包括檢驗質量塊40和在錨固點42處被錨固到感測對象（未示 出）的彈簧元件41。該系統具有一個以上的被錨固到主體上的靜止TR1電極43和一個以 上的與檢驗質量塊40的運動連接的活動TR1電極44。這些電極43、44形成了如將要利用 圖3來說明的電容性位移測量換能器。該系統還具有一個以上的被錨固到主體上的靜止 TR2電極45和一個以上的與檢驗質量塊40的運動連接的活動TR2電極46。這些電極45、 46形成了生成力的靜電換能器。
[0040] 需要注意的是，圖4中的電容性和靜電換能器只是示例。本領域的每個技術人員 可以清楚地知道，圖3的換能器TR1和TR2可以基于任何換能器原理。例如，第一換能器可 以被構造成基于電容效應、壓電效應、電磁效應或壓阻效應（piezoresistiveeffect)而借 助于運動、應力或應變來檢測位移。第二換能器可以被構造成基于靜電效應、壓電效應、電 磁效應、熱彈效應、電致伸縮或磁致伸縮而借助于力、轉矩、應力或應變來引起位移。
[0041] 再次參照圖3,機械共振器31中的檢驗質量塊的位移可以利用TR1電極（圖4 中的43、44)而被電力地測量并且可以被轉換成電信號S1。第一電信號S1可以被放大器 (AMP1) 32放大，并且放大后的信號經由控制器33而被饋送給測力換能器TR2。TR2被構造 成利用TR2電極（圖4中的45、46)來向檢驗質量塊施加對應于第二電信號S2的機械力。 S2被饋送給TR2且與所檢測到的位移的相位關系如下：檢驗質量塊的移動被阻尼了，即被 所施加的力減小了。
[0042] 圖3中的機械共振器31的傳遞函數是：
[0043]

【權利要求】
1. 一種控制元件（33)，其包括： 第一電信號（S1)的輸入端，所述第一電信號與機械共振器中的參考點的位移對應，所 述參考點的所述位移響應于作用在所述質量塊上的力； 第二電信號（S2)的輸出端，所述第二電信號規定了要被作用于所述機械共振器上的 阻尼反饋力； 信號處理濾波器，所述信號處理濾波器用于根據特定響應函數而生成所述第二電信 號，所述響應函數規定了所述第一電信號的值與所述第二電信號的值之間的對應。
2. 根據權利要求1所述的控制元件，其特征在于，所述第一電信號具有第一共振頻率， 并且所述響應函數是具有與所述第一共振頻率基本上一致的共振頻率特性的頻率響應函 數。
3. 根據權利要求2所述的控制元件，其特征在于，所述信號處理濾波器的品質因子大 于1。
4. 根據權利要求3所述的控制元件，其特征在于，所述信號處理濾波器的品質因子在3 至10的范圍內。
5. -種共振器裝置（30)，其包括： 機械共振器（31); 閉合反饋回路，所述閉合反饋回路包括第一換能器（43、44)、第二換能器（45、46)和控 制元件（33); 所述第一換能器被構造成輸出第一電信號（S1)，所述第一電信號與所述機械共振器中 的參考點相對于慣性參照系的位移對應，所述第一電信號具有第一共振頻率； 所述控制元件（33)被電耦合至所述第一換能器和所述第二換能器； 所述控制元件被構造成從所述第一換能器接收所述第一電信號（S1)且根據特定響應 函數而生成第二電信號（S2)，所述響應函數規定了所述第一電信號的值與所述第二電信號 的值之間的對應； 所述控制元件被構造成將所述第二電信號（S2)饋送給所述第二換能器； 所述第二換能器被構造成向所述機械共振器（31)施加與所述第二電信號對應的阻尼 力； 所述控制元件是信號處理濾波器。
6. 根據權利要求5所述的共振器裝置，其特征在于，所述信號處理濾波器的所述響應 函數具有與所述第一共振頻率基本上一致的共振頻率特性。
7. 根據權利要求6所述的共振器裝置，其特征在于，所述信號處理濾波器的品質因子 大于1。
8. 根據權利要求7所述的共振器裝置，其特征在于，所述信號處理濾波器的品質因子 在3至10的范圍內。
9. 根據權利要求5至8中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，在比所述第一共振頻 率低的頻率下所述閉合反饋回路的回路增益小于1。
10. 根據權利要求9所述的共振器裝置，其特征在于，在比所述第一共振頻率低的頻率 下所述閉合反饋回路的回路增益在〇. 1至〇. 3的范圍內。
11. 根據權利要求5至10中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，所述共振頻率特性 相對于所述第一共振頻率的偏差小于50%。
12. 根據權利要求11所述的共振器裝置，其特征在于，所述共振頻率特性相對于所述 第一共振頻率的偏差小于20%。
13. 根據權利要求5至12中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，所述控制元件是低 通濾波器，且所述閉合反饋回路的反饋為正。
14. 根據權利要求5至12中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，所述控制元件是高 通濾波器，且所述閉合反饋回路的反饋為負。
15. 根據權利要求5至12中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，所述控制元件是帶 通濾波器和全通濾波器的組合，且所述閉合反饋回路的反饋為正。
16. 根據權利要求5至12中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，所述控制元件是全 通濾波器，且所述閉合反饋回路的反饋為正。
17. 根據權利要求5至16中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，所述傳感裝置是 MHMS器件。
18. 根據權利要求5至17中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，所述第一換能器被 構造成基于電容效應、壓電效應、電磁效應或壓阻效應而借助于運動、應力或應變來檢測位 移。
19. 根據權利要求5至18中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，所述第二換能器被 構造成基于靜電效應、壓電效應、電磁效應、熱彈效應、電致伸縮或磁致伸縮而借助于力、轉 矩、應力或應變來引起位移。
20. 根據權利要求5至19中任一項所述的共振器裝置，其特征在于，所述共振器裝置是 傳感器裝置或致動器裝置。
21. -種用于控制機械共振器的操作的方法，其包括： 使所述機械共振器耦合至閉合反饋回路，所述閉合反饋回路包括第一換能器、第二換 能器和控制元件； 將第一電信號從所述第一換能器輸出至所述控制元件，所述第一電信號與所述機械共 振器中的參考點相對于慣性參照系的位移對應，所述第一電信號具有第一共振頻率； 根據特定響應函數在所述控制元件中生成第二電信號，所述響應函數規定了所述第一 電信號的值與所述第二電信號的值之間的對應，所述控制元件是信號處理濾波器； 將來自所述控制元件的所述第二電信號饋送給所述第二換能器； 利用所述第二換能器向所述機械共振器施加阻尼力，所述阻尼力對應于所述第二電信 號且阻止所述位移。
22. 根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述信號處理濾波器的所述響應函數 具有與所述第一共振頻率基本上一致的共振頻率特性。
【文檔編號】H03H9/02GK104411618SQ201380034908
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年6月25日 優先權日:2012年6月29日
【發明者】海基·庫斯瑪 申請人:株式會社村田制作所