CN102077054A - 微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定关于x、y或z轴的旋转运动的微陀螺仪。至少一个锚固定在基底上。几个（特别是四个）相对于锚径向振荡的质量块通过弹簧固定到锚上。使用驱动元件，以振荡方式在x轴或y轴方向上摆动至少单个质量块，以在基底偏斜时产生科里奥利力。使用传感器元件感测质量块因科里奥利力发生的偏斜。振荡质量块连接到至少一个远处的非振荡质量块，该非质量块能与基底上的振荡质量块一起围绕至少一个锚进行旋转。该远处质量块与传感器元件相连。

Description

微陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种与权利要求1的术语相对应的微陀螺仪。  

背景技术

微陀螺仪通常用于确定围绕x-y-z坐标系统的某个轴的旋转运动。因此，为确定系统分别围绕三个轴中每个的旋转运动，需要三个这种微陀螺仪。因而控制微陀螺仪和评估数据是昂贵且耗时的。

因此，可以制造一种三维微陀螺仪，该微陀螺仪能确定在全部三个轴上的旋转。D. Wood 等人在其1996年的文章“一种能同时感知三个轴的单片硅式陀螺仪”（A Monolithic Silicone Gyroscope Capable of Sensing about Three Axes Simultaneously）中提出了一种陀螺仪，该陀螺仪可具有围绕中央锚设置的环形振荡质量块，能感知由可能产生的科里奥利力所引起的倾斜和旋转运动。然而其缺点是，这种传感器的制造以及该质量块的驱动是很困难或根本难以实现的。因此，D. Wood 等人的设计几乎只停留在理论层面。

在“一种抵抗耦合效应的创新型微陀螺仪的设计及其动力学分析”（Design and Dynamics of an Innovative Microgyroscope against Coupling Effects）一文中，作者Nan-Chyuan Tsai也提出了一种三维陀螺仪，然而缺点在于该陀螺仪具有内盘和外环，以及四个移动质量块，难于确定偏斜、尤其是内盘的偏斜。

发明内容

因此，本发明的目的是，制造一种记录精度高且制造成本合理的三维微陀螺仪。

本发明的目的通过具备权利要求1所述特征的微陀螺仪得以实现。该微陀螺仪的优点在于，除振荡质量块外，其还具有至少一个间接安装在锚上的质量块。振荡质量块和附加质量块的各自的传感元件用于感测科里奥利力引起的偏斜。该方法也用于感测摆动和/或旋转运动。锚可以由不同部件组合而成，也可是一个单件。如果所述锚由几个部件组成，则每个振荡质量块可设置在锚的其中一个部件上。重要的是，首先，要使振荡质量块能够在远离锚和接近锚的方向上进行径向运动，其次，要使振荡质量块能够围绕锚进行偏斜和旋转运动。因此，振荡质量块一方面可用作驱动质量块，另一方面，科里奥利力能够使各质量块的运动进行传递。这样，借助各相应的传感元件，能够感测陀螺仪（尤其是其基底）围绕x、y、z轴的旋转。

优选且非限制性地，用于确定振荡质量块偏斜的传感元件设置在该振荡质量块的下方——即，振荡质量块和基底之间。这样，所述传感元件能够——如果其为例如电容式——通过张力的变化来感测振荡质量块的偏斜。传感元件用于感测附加质量块的旋转运动，其可以是与附加质量块相连的电容式传感器，也可以是等效传感器，该等效传感器能确定与该传感元件的固定件之间距离的改变。

如果附加质量块为围绕振荡质量块的环或框，则效果更好。这样，该振荡质量块的外周被紧固，且支撑着附加质量块。从而获得能抵御外部冲击的稳定系统。

如果用弯曲弹簧将附加质量块固定在基底上，则该质量块还能够地支撑起自身，以适当缓冲外部作用在系统上的冲击，从而避免误测。

如果弯曲弹簧使附加质量块围绕z轴旋转，则该弯曲弹簧还能轻松地传递相应的科里奥利力，使附加质量块偏斜，而不会对其产生阻碍。

优选地，应当将锚设置在中央，以实现在全部四个旋转轴上的良好一致的偏斜。

如果振荡质量块固定在中央锚上，则也能获得一致且对称的系统，以实现在全部三个旋转方向上良好一致的偏斜。

在本发明的一个优选设计中，振荡质量块和中央锚之间设置了中央盘。该中央盘能使振荡质量块及一个或多个适当地安装在振荡质量块上的附加质量块进行偏斜和旋转运动。如果中央盘以万向接头方式固定在锚上，则这种固定方式能使质量块围绕x轴和y轴摆动。

为使振荡质量块径向运动，最好用弹簧将其连接到中央盘上，如果没有中央盘，则用更多弹簧将其直接连接到锚和/或附加质量块上。这样，振荡质量块能够沿x-y平面来回摆动。优选地，弹簧设计为能防止振荡质量块在z轴方向上运动，尤其当振荡质量块固定到中央盘上、而该中央盘以能进行运动的方式安装时。如果弹簧在z轴方向上相对硬性，则只有当中央盘为弹性安装，且附加质量块在该方向上牢固连接到振荡质量块时，振荡质量块才有可能在z轴方向上产生偏斜。

为使振荡质量块摆动一致，最好使用同步弹簧将振荡质量块彼此连接起来。该同步弹簧一方面使围绕锚的圆周方向上具有特定弹性，从而使振荡质量块在其线性径向运动中稍微彼此分开。另一方面，一旦振荡质量块具有不按照平稳同步的方式内外摆动的倾向，同步弹簧将阻碍振荡质量块的运动。

如果将弹性质量块以及附加质量块和/或中央盘围绕z轴以可动方式安装、尤其是通过合适的弹簧进行安装时，由于科里奥利力的作用，振荡质量块和附加质量块可进行旋转运动，所述科里奥利力通过这些质量块在适当方向上的运动来影响z轴。所述旋转运动可由传感器元件感测和估值。

优选地，设置电极——特别是叉状或梳形电极——以驱动振荡质量块。这些电极驱动振荡质量块进行适当摆动，从而产生频率预定的预期摆动。

附图说明

本发明进一步的优点和其他发明理念将通过以下描述的实施例得以体现，其中：

图1为本发明的可能的设计的概图；

图2为图1对应的陀螺仪的工作原理示意图；

图3为本发明的另一实施例；

图4为图3对应的设计的驱动结构；

图5为图3对应的设计的中央盘；

图6为图3对应的设计的外框。

具体实施方式

图1示意了根据本发明的微陀螺仪的可能的实施例。四个振荡驱动质量块2设置在中央锚1上，该中央锚1固定在基底上，该基底平置于绘图平面上。质量块2通过弹簧3连接到锚1上，这样，弹簧不但能在绘图平面上围绕锚1旋转，还能围绕平置于绘图平面上的旋转轴摆动。弹簧3在图中为菱形标记，其也能使驱动质量块2从中央锚1来回径向摆动。因此，驱动质量块径向振荡。为实现上述操作，可设置例如驱动元件（未示意）以驱动电极，该电极将质量块2保持在振荡运动中。驱动质量块2被附加质量块围绕，在本实施例中该附加质量块为环4。该环4通过弹簧5连接到质量块2。所述弹簧5设置和定位为，一方面尽可能不阻碍质量块2的振荡运动，而另一方面在旋转和摆动方向上将环4与驱动质量块2连接起来。如果产生科里奥利力，在其作用下驱动质量块2和环4发生偏斜，则振荡质量块和环4形状的附加质量块连接在一起，并发生同样的偏斜。相应地，弹簧5被设计为可以在径向方向上屈服，而在其他方向上仍保持刚性。然而，在其他设计中，也可以将弹簧5设计为可以使振荡质量块倾斜，而使附加质量块或环4不倾斜。在这种情况下，在除围绕z轴的旋转方向外，弹簧5是柔软的。在此，当存在围绕x轴或y轴、相对于环4的倾斜运动，且该环4在其x-y平面内保持非倾斜状态时，振荡模块产生运动。 

同步弹簧6设置在四个驱动质量块2之间。这些同步弹簧6支撑驱动质量块2进行同步摆动。因此， 当驱动质量块2径向外移、两个驱动质量块2之间的距离增大时，以及当驱动质量块2朝中心移回、其之间的距离减小时，同步弹簧能使驱动质量块2进行特定的旋转。另一方面，当驱动质量块2试图进行不均匀振荡时，同步弹簧保持硬性。

传感器电极能够感测距离的改变，其设置在驱动质量块2的下方、环4的区域内，优选为沿着环4的外周设置。这些传感器电极包括例如具有电容效应的盘，用于感测系统围绕中央锚1的旋转运动，或围绕平置于绘图平面上的轴之一的倾斜运动。

图2示意了图1的微陀螺仪在各个方向上的运动。四个驱动质量块2在径向方向上进行振荡运动，从而产生从中央锚1开始的推进力。各驱动质量块2在绘图平面内（即在x-y轴平面内）同步振荡。首先，弹簧3、5和6稳定驱动质量块2，其次，这些弹簧实现了平滑振荡运动。环4仍保持在该初始状态下。

如果存在科里奥利力使系统围绕x轴旋转，则上下文所述的质量块2将上下运动。如果适当地设计弹簧5，则环4也能在该方向上运动——即，由驱动质量块2和环4组成的整个系统可围绕x轴上下摆动。然而，在弹簧5的另一种设计中，只有质量块2上下摆动，同时环4保持静止，在绘图平面内无摆动。如中间这幅图所示，如果科里奥利力使系统围绕y轴旋转，则左右两副图所示的质量块2将与系统一起移动，或者，利用适当设计的弹簧5，所述质量块2甚至将不与环4一起，单独围绕y轴旋转以上下摆动。

如果感测到存在使系统围绕z轴（该z轴突出于绘图平面）旋转的科里奥利力，则该系统将围绕中央锚1运动。如果产生这种运动，由于弹簧4的硬性，质量块2和环4将一起围绕z轴在该方向上运动。

根据本发明的系统，能较简便地确定微陀螺仪在x、y和z三个旋转轴上的运动。相应的偏斜由设置在发生偏斜的质量块区域的传感器电极感测。

图3为根据本发明的传感器的概图，示意了本发明的另一实施例。该传感器利用已知的微细加工技术制造，为三维小型陀螺仪，能够感测围绕x、y和z三个轴的旋转加速度。本发明的必要特征是四个同步驱动质量块2，在外部旋转速度的影响下，该同步驱动质量块2的运动发生改变。该运动的改变通过电容变化由电极感测。同步质量块2允许相关电极上具有单一驱动控制环，从而使系统变得简单经济。为降低传感器系统（即微陀螺仪）和估值电子器件的成本，当传感器电极被查询时，根据本发明的传感器可被实现为分时操作系统。由于单个角速度在不同时域中被连续查询，因此，围绕x、y和z轴的角速度可经由相同且唯一的信道读出。这样，能在保证系统精度的前提下更经济地制造出整套估值电子器件。以下附图完整地描述了传感器的细节。

图4示意了传感器的驱动结构。驱动元件，例如电极（未示意），在径向方向上高频驱动四个振荡驱动质量块2。每个驱动质量块连接到弹簧3、5和6。在该实施例中，弹簧3在接触点上固定到中央盘上（如下描述），且该接触点设置在弹簧3的两个附加连接点之间的中央位置，该弹簧3固定到质量块2上。这样，获得了在径向方向上具有特定弹性的系统。并且，该系统具有围绕z轴进行旋转运动的弹性。另外，质量块2通过两个z形设计的弹簧5固定到外框7上。 所述两个弹簧的设计将质量块2弹性安装在径向方向上，使质量块2能够以振荡方式运动。另一方面，该弹簧5可具有替代性设计，能使质量块2硬性或平滑地与框7连接，以围绕x轴或y轴倾斜运动。在围绕z轴旋转运动时，质量块2和框7大致通过弹簧5相互刚性连接。如果产生使系统围绕x、y或z轴运动的力，则系统可以连接到质量块2和框7上，从而使二者都能均匀偏斜。然而，还可设计硬性连接，使其只涉及围绕z轴的旋转运动。如果在该替代性设计中存在围绕x轴或y轴的运动，则只有运动的质量块2倾斜，框7不倾斜。

因此，相邻质量块2能够以振荡方式摆动，这些质量块2与同步弹簧6相连。这些同步弹簧6位于两个相邻质量块2之间的间隙中，以增大或减小两个相邻质量块2之间的间隙，是否增大或减小取决于这些质量块是靠近还是远离传感器的中心。另一方面，那些试图异步摆动的相邻质量块之间的同步弹簧6是牢固而硬性的。因此，不允许质量块2中的任何一个比其相邻质量块2更靠近传感器。

所述四个驱动质量块2摆动，如双向箭头所示。不言而喻，该质量块2的设计可以与在此所示的不同。因此，质量块可以具有不同形状，而特别地，驱动电极可以集成在质量块中。驱动质量块2可以由驱动电极静电激活，该驱动电极的形状可以为叉状、梳形、平行电极或其他。驱动监控电极可以设置为靠近质量块2，以监控驱动运动。驱动监控电极可以是梳形或平行电极，或具有其他形状。可以通过这些电极检查质量块2是否按预定频率正确地完成了驱动。

盘状电极8优选地设置在每个驱动质量块2的下方，以感测围绕x轴或y轴的偏斜。

图5示意了中央盘10的更多细节。该中央盘10具有类似万向接头的结构，由两个同心框组成，在该例中，位于中央盘1上的内框连接到沿x轴方向的弹簧。该外框通过沿y轴走向的弹簧连接到内框，这样，借助弹簧的相应设计，能够使外框与内框一起更容易地围绕x轴摆动。 这使得质量块2和框7——二者固定到中央盘10上，尤其在中央盘10的外环上——能够围绕x轴或y轴分别摆动。这时，便能感测到引起这种偏斜的科里奥利力。自然而然地，质量块2能以其他方式连接到中央锚1上。例如，可以使用恰当设计的弹簧，直接将质量块2固定到中央锚1上。

中央盘10用于固定驱动质量块2的弹簧3。如果该紧固弹簧——使用该紧固弹簧将外框固定到内框上，而该内框再固定到中央锚1上——设计恰当，则中央盘10能够围绕x轴和y轴摆动。另外，该中央盘10具有潜在的非常稳定的优势，尤其当涉及抵抗来自系统外部的冲击时。因此，该中央盘10确保质量块2和框7的稳定安装，使其不易偏斜，避免因轻度弯曲而撞到基底上，从而输出错误结果。中央盘10通过中央锚1固定到传感器基底上。

图6示意了传感器的外框7的更多细节。该外框7通过弹簧5固定到运动的质量块上。所述外框7还可具有其他设计，例如环形（如图1和2所示），或为环或框的一段，以将单个的相邻质量块2彼此连接。框10通过框弹簧11连接到基底上，这些框弹簧11用于使框10围绕z轴旋转。因此，为实现这种旋转运动，框弹簧具有弹性。

从远离框的一端看，框弹簧11通过弹簧锚12固定到基底上。框7的旋转可由框传感器电极感测，该电极设置在沿着框外周12的方向上。这些电极可以为径向分布的手指状电极，或为径向设置的梳形电极对。

本发明并不局限于在此所示的实施例；在权利要求和说明书的措辞范围内，还存在着多种其他设计。甚至还可能存在各实施例的组合设计。

Claims (13)

1.用于确定围绕x轴、y轴或z轴的旋转运动的微陀螺仪，该微陀螺仪具有：

基底，该基底上固定有至少一个锚；

多个质量块，优选为四个关于所述锚进行径向振荡的振荡质量块，在这种情形下，这些振荡质量块用弹簧固定至所述锚；

驱动元件，用于使至少单个质量块在x轴或y轴方向上振荡摆动，以在基底偏斜时产生科里奥利力，以及

传感器元件，用于感测所述质量块因产生的科里奥利力而发生的偏斜；

其特征在于：所述振荡质量块连接至至少一个附加质量块，该附加质量块不振荡，但能与振荡质量块一起在基底上围绕至少一个锚旋转，且该附加质量块配备了附加的传感器元件。

2.根据权利要求1所述的微陀螺仪，其特征在于：所述传感器元件设置在所述振荡质量块的下方，以感测所述振荡质量块的偏斜。

3.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述附加质量块呈环形环绕着所述振荡质量块。

4.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述附加质量块用弯曲弹簧固定至所述基底。

5.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述弯曲弹簧使所述附加质量块能围绕z轴旋转。

6.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述至少一个锚设置在中央。

7.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述振荡质量块固定至设在中央的锚。

8.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：在所述振荡质量块和所述设在中央的锚之间设置了中央盘。

9.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述中央盘以万向接头方式固定至所述锚，以使所述质量块能围绕所述x轴和y轴摆动。

10.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述振荡质量块用弹簧固定至所述中央盘和/或所述附加质量块。

11.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述振荡质量块彼此之间用同步弹簧连接。

12.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述振荡质量块、所述附加质量块和/或所述中央盘围绕z轴旋转。

13.根据以上任一项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于：所述振荡质量块的驱动元件为电极，优选为叉状电极。

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