CN101403615A - 一种直接输出频率的振动陀螺结构 - Google Patents

Abstract

一种直接输出频率的振动陀螺结构，其目的在于设计制作一种基于平面加工工艺的频率调制量输出的振动陀螺，以提高振动陀螺的输出信号抗干扰能力。这种陀螺的设计特点在于：(1)采用频率本地化调制手段，极大地减少了信号损失，实现微弱的Coriolis效应本地化调频调制。(2)采用框架质量块支撑结构，使得横向Coriolis加速度相应得以显著放大，有效的施加于谐振梁轴向。(3)两谐振梁采用差动谐振结构，可以抑制大多数类型的共模干扰，如温度应力。(4)平面方案设计，易于适应线切割加工或MEMS相关工艺，易于小型化。

Description

一种直接输出频率的振动陀螺结构

技术领域

本发明涉及一种振动陀螺结构，特别是一种直接输出频率的振动陀螺结构，属于谐振式陀螺设计领域的总体结构设计方向。

背景技术

国内外各种微机械振动式角速率陀螺除Berkelay的Roger T.Howe(Ashwin A.Seshia，Roger T. Howe，and Stephen Montague：An Integrated Microelectromechanical Resonant OutputGyroscope[J].15th IEEE Micro Electro Mechanical Systems Conference，2002.(1)：20-24)研制的频率输出式框架角速率陀螺外大多是利用电容检测谐振质量块的振动，其本质为振动幅值检测，不可避免地受到弱电容检测精度的制约。电容量级一般为1～10pF，变化峰峰值一般为0.1～10fF。由于电容量值的微小，给输出电路的检测精度提出近乎苛刻的要求，严重制约了微陀螺的研制、生产和制造。现有的已产业化的振动陀螺如iMEMS的ADXRS和ADIS系列，一方面采用差动音叉式质量块振动结构，抑制了大部分的共模干扰量，另一方面依靠SOC技术在一定程度上解决了弱电容检测的问题。但其产品还处于低级民用陀螺阶段，距战术级、惯导级陀螺还有相当距离。电容检测的主要干扰源来自电容量本身的带有很强白噪声性质的漂移电噪声。此类噪声不能用差动的方式消除，也不可能利用电路的手段完全滤除。虽然量级很小，但相对于微弱的辅振动来说处于同一量级。所以利用电容检测的谐振式陀螺的精度必然受到弱若电容检测瓶颈的制约。  若要实现利用质量块谐振检测特定轴向角速率的目的，就必须解决检测手段的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种直接输出频率的振动陀螺结构，以提高振动陀螺的输出信号抗干扰能力。

本发明的技术解决方案：一种直接输出频率的振动陀螺结构，包括质量块、第一弹性支撑、第二弹性支撑、第三弹性支撑和第四弹性支撑，第一垂直外偏5°支撑臂，第二垂直外偏5°支撑臂，第三垂直外偏5°支撑臂和第四垂直外偏5°支撑臂和第一谐振梁及第二谐振梁。质量块与第一弹性支撑、第二弹性支撑、第三弹性支撑和第四弹性支撑组成一级谐振系统，四个弹性支撑皆为水平放置，第一弹性支撑和第二弹性支撑连接于质量块顶部中心，第三弹性支撑和第四弹性支撑连接于质量块底部中心。第一弹性支撑、第三弹性支撑、第一垂直外偏5°支撑臂和第三垂直外偏5°支撑臂组成左侧框架力放大结构，第一弹性支撑的一端与第一垂直外偏5°支撑臂一端以及第一谐振梁上端连接于一点，第三弹弹性支撑的一端与第三垂直外偏5°支撑臂一端以及第一谐振梁下端连接于一点，第一谐振梁沿y方向。第二弹性支撑和第四弹性支撑、第二垂直外偏5°支撑臂、第四垂直外偏5°支撑臂和第二谐振梁组成右侧框架力放大结构，与左侧框架力放大结构对称分布，本发明利用框架式力放大机构将微弱的Coriolis惯性力转化到谐振梁的轴向力。第一谐振梁和第二谐振梁为二级谐振系统，交变的惯性力交变地改变谐振梁的自然角频率，通过谐振梁的自激振荡系统，谐振梁可以跟踪自身自然角频率点的变化。输出信号的频率量就是谐振梁自身的自然角频率大小。由于谐振梁自然角频率同Coriolis惯性力大小呈线性关系，检测输出信号的频率就可以解算出角速率外载荷的大小。

本发明的工作原理：当主谐振系统(弹簧质量块)处于谐振状态时在y方向产生一个交变的速度。在整个结构受到一个沿z方向的角速度载荷时，x方向就会相应的产生一个交变的哥氏加速度，使得主谐振系统在x方向产生一个交变的辅振动。这个辅振动通过支撑臂周期地改变两个谐振梁的轴向应力，则两个谐振梁的谐振频率相应的发生周期性的改变。两个谐振梁采用差动方案，两者谐振频率之差代表质量块在x方向上的位移引起的谐振梁轴向应力的大小。检测两个谐振梁谐振频率差值的变化峰-峰值就检测出质量块在x方向上的辅振动强度，从而根据哥氏加速度定理可以计算出z方向的转动角速度载荷大小。

力放大机构工作原理如说明书图2所示，当弹性支撑2受到一个横向拉力(F1)的时候，连接点B移动到B′点。由于支撑臂6发生倾斜，间接拉动第一谐振梁10。谐振梁轴向受到拉力F2作用。力放大系数为：

$K=\frac{F_2}{F_1}=\tan \mathrm{\θ}\≈12$

本发明与现有技术相比的优点：

(1)以往的振动陀螺都属于幅值量检测方案。本发明提出的双谐振结构的振动陀螺由于其检测手段彻底实现了谐振化，可以说是一种新颖的、真正意义上的振动陀螺，实现了一次敏感和二次敏感元件的全频率量输出，将微弱的Coriolis效应以谐振的方式实现了本地化调频调制，以及调频信号输出。由于调频信号的稳定性和抗干扰能力，传感器的稳定性、灵敏度和测量精度得到了提高，输出信号也可以很容易的实现同计算机的接口而不需要额外调制解调电路。

(2)此种设计的基本思想最早由Berkeley的Roger.Howe等人以双端固定音叉的形式实现，但由于其具体实现结构的力灵敏度有限，所以这个结构的频率灵敏度较差。这就需要谐振音叉的品质因数要在10⁵以上，这为调频法应用于陀螺带来了巨大的技术难关。本发明提出的框架力放大结构在继承了调频信号稳定性的基础上进一步拥有极高的Coriolis惯性力的传输效率。

(3)两个谐振梁在同一时刻一个被拉伸，另一个被压缩，输出频率的差代表传感器输出。差动的频率输出方式使传感器的抗干扰能力得到进一步加强，有能力排除大多数的加速度干扰和其他方向的角速率载荷干扰。

(4)两谐振梁采用差动谐振结构，可以抑制大多数类型的共模干扰，如温度应力。

附图说明

图1为本发明的一种直接输出频率的振动陀螺结构示意图；

图2为本发明的框架力放大结构工作原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的直接输出频率的振动陀螺结构，包括质量块1，第一弹性支撑2、第二弹性支撑3、第三弹性支撑4和第四弹性支撑5，第一垂直外偏5°支撑臂6，第二垂直外偏5°支撑臂7，第三垂直外偏5°支撑臂8和第四垂直外偏5°支撑臂9和第一谐振梁10及第二谐振梁11。质量块1与第一弹性支撑2、第二弹性支撑3、第三弹性支撑4和第四弹性支撑5组成一级谐振系统，四个支撑皆为水平放置，第一弹性支撑2和第二弹性支撑3连接于质量块1顶部中心，第三弹性支撑4和第四弹性支撑5连接于质量块1底部中心。质量块1与第一弹性支撑2、第二弹性支撑3、第三弹性支撑4和第四弹性支撑5组成一级谐振系统，简谐振荡时产生稳定的质量块1y方向正弦型速度，用以与z方向的角速率载荷耦合产生x方向的正弦型Coriolis惯性力。第一弹性支撑2和第二弹性支撑4，第一垂直外偏5°支撑臂6和第三垂直外偏5°支撑臂8和第一谐振梁10组成左侧框架力放大结构，将质量块1产生的横向Coriolis惯性力放大，并施加于第一谐振梁10的轴向。第二弹性支撑3和第四弹性支撑5，第二垂直外偏5°支撑臂7和第四垂直外偏5°支撑臂9和第二谐振梁11组成右侧框架力放大结构，将质量块1产生的横向Coriolis惯性力放大，并施加于第二谐振梁11的轴向，方向与左侧放大机构传递的力相反。第一谐振梁10和第二谐振梁11为二级谐振系统，通过谐振频率的改变感受从各自力放大机构传递的Coriolis惯性力。

本发明的结构设计针对平面加工工艺，即为针对线切割机械加工工艺或者MEMS结构的光刻、腐蚀工艺，整块原料加工一体成形，部件之间是一个整体，直接连接在一起，无可拆卸零件。

本发明的第一垂直外偏5°支撑臂6和第三垂直外偏5°支撑臂8与x正方向成一钝角，角度大小94°～95°。第二垂直外偏5°支撑臂7，第四垂直外偏5°支撑臂9与x方向成一锐角，角度大小85°～86°。四个支撑臂布置方式是左右力放大机构的关键所在，框架力放大结构工作原理如说明书图2所示，当弹性支撑2受到一个横向拉力F1的时候，连接点B移动到B′点。由于支撑臂6发生倾斜，间接拉动第一谐振梁10，谐振梁轴向受到拉力F2作用，力放大倍数约为10～15倍。

本发明的两侧力放大机构对称分布，工作原理相同，放大系数相同。

第一谐振梁10和第二谐振梁11的二级谐振系统其尺寸设计使得无载荷条件下的谐振频率为一级谐振系统谐振频率的50倍以上。为以保证谐振梁谐振频率对一级谐振系统产生的交变轴向应力实现良好的跟踪，第一谐振梁10与第二谐振梁11形成一对差动谐振体，在同一时刻一个谐振梁的谐振频率增高时，另一个谐振频率降低，将传感器的灵敏度提高一倍的同时大大提高了传感器对共模干扰的抗干扰能力。

总之，本发明采用频率本地化调制手段，极大地减少了信号损失，实现微弱的Coriolis效应本地化调频调，提高了抗干扰能力；采用框架质量块支撑结构，使得横向Coriolis加速度相应得以显著放大，有效的施加于谐振梁轴向；两谐振梁采用差动谐振结构，可以抑制大多数类型的共模干扰，如温度应力；平面方案设计，易于适应线切割加工或MEMS相关工艺，且易于小型化。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1、一种直接输出频率的振动陀螺结构，其特征在于：包括质量块(1)，第一弹性支撑(2)、第二弹性支撑(3)、第三弹性支撑(4)和第四弹性支撑(5)，第一偏5°支撑臂(6)，第二偏5°支撑臂(7)，第三偏5°支撑臂(8)和第四偏5°支撑臂(9)和第一谐振梁(10)及第二谐振梁(11)；质量块(1)与第一弹性支撑(2)、第二弹性支撑(3)、第三弹性支撑(4)和第四弹性支撑(5)组成一级谐振系统，四个弹性支撑皆为水平放置，第一弹性支撑(2)和第二弹性支撑(3)连接于质量块(1)顶部中心，第三弹性支撑(4)和第四弹性支撑(5)连接于质量块(1)底部中心；第一弹性支撑(2)、第三弹性支撑(4)、第一垂直外偏5°支撑臂(6)和第三垂直外偏5°支撑臂(8)组成左侧框架力放大结构，第一弹性支撑(2)的一端与第一垂直外偏5°支撑臂(6)一端以及第一谐振梁(10)上端连接于一点，第三弹弹性支撑(4)的一端与第三垂直外偏5°支撑臂(8)一端以及第一谐振梁(10)下端连接于一点，第一谐振梁(10)沿y方向；第二弹性支撑(3)和第四弹性支撑(5)，第二垂直外偏5°支撑臂(7)和第四垂直外偏5°支撑臂(9)和第二谐振梁(11)组成右侧框架力放大结构，与左侧框架力放大结构对称分布；第一谐振梁(10)和第二谐振梁(11)为二级谐振系统，通过谐振频率的改变感受从各自力放大机构传递的Coriolis惯性力。

2、根据权利要求1所述的直接输出频率的振动陀螺结构，其特征在于：所述的结构设计针对平面加工工艺，即为针对线切割机械加工工艺或者MEMS结构的光刻、腐蚀工艺，整块原料加工一体成型，部件之间是一个整体，直接连接在一起，无可拆卸零件。

3、根据权利要求1所述直接输出频率的振动陀螺结构，其特征在于：所述的第一垂直外偏5°支撑臂(6)和第三垂直外偏5°支撑臂(8)与x方向成一钝角，角度大小94°～95°。

4、根据权利要求1所述直接输出频率的振动陀螺结构，其特征在于：所述的第二垂直外偏5°支撑臂(7)，第四垂直外偏5°支撑臂(9)与x方向成一锐角，角度大小85°～86°。

5、根据权利要求1所述直接输出频率的振动陀螺结构，其特征在于：所述的第一谐振梁(10)和第二谐振梁(11)组成的二级谐振系统的尺寸设计使得无载荷条件下的谐振频率为一级谐振系统谐振频率的50倍以上。

6、根据权利要求1所述的直接输出频率的振动陀螺结构，其特征在于：所述的第一谐振梁(10)与第二谐振梁(11)形成一对差动谐振体，在同一时刻一个谐振梁的谐振频率增高时，另一个谐振频率降低。

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