CN103797331A - 包括引导质量系统的微机械陀螺仪 - Google Patents

Abstract

在此披露了一种陀螺仪。该陀螺仪包括一个基底；以及一个引导质量系统。该引导质量系统包括质量块及引导臂。该质量块及该引导臂置于一个与该基底平行的平面内。该质量块耦联到该引导臂。该引导臂还通过一个弹簧耦联到该基底。该引导臂允许该质量块在该平面内向一个第一方向的运动。该引导臂及该质量块绕一个第一传感轴旋转。该第一传感轴在该平面内并且与该第一方向平行。该陀螺仪包括一个用于在该第一方向上振动该质量块的致动器。该陀螺仪还包括一个换能器，该换能器用于响应于绕一个在该平面内的并且与该第一方向正交的第一输入轴的角速度来感测该质量块垂直于该平面的运动。

Description

包括引导质量系统的微机械陀螺仪

发明领域

本发明总体上涉及角速度传感器并且更具体地涉及包括引导质量系统的角速度传感器。

背景技术

角速度的感测通常是使用振动速率陀螺仪来进行的。振动速率陀螺仪普遍上是通过将传感器驱动进入一个第一运动并且响应于该第一运动及待感测的角速度二者来测量该传感器的一个第二运动来发挥作用的。

通常，该传感器内的质量（通常称作质量块）由一个致动器驱动进入振荡。该传感器的旋转将科里奥利力传到与该角速度（或旋转速率）成比例的振荡质量，并且取决于相对于该质量块的速度矢量的角速度矢量的定向。科里奥利力、角速度矢量以及质量块速度矢量是相互正交的。例如，一个在绕Y轴旋转的传感器内在X方向上运动的质量块体验到的是Z指向的科里奥利力。类似地，一个在绕Z轴旋转的传感器内在X方向上运动的质量块体验到的是Y指向的科里奥利力。最后，一个在绕X轴旋转的传感器内在X方向上运动的质量块未体验到科里奥利力。传到该质量块的科里奥利力通常是通过测量该传感器内响应于这些科里奥利力的运动来间接感测的。

感测绕一个平面内轴（如X轴或Y轴）的角速度的常规陀螺仪可被驱动出平面，并且科里奥利响应是在平面内感测的，或者反之亦然。平面外驱动倾向于比平面内驱动更为低效，要求额外的制作步骤，并且受到非线性限制。例如，将该质量块驱动出平面外可能要求该质量块下面有一个大的垂直间隙或空腔，以提供足够的空间供该质量块振荡。在该质量块下方形成一个空腔要求额外的制作步骤并且增加了成本。通常，平行电镀型的静电致动器被用来将该质量块驱动出平面外。这些致动器在该质量块与该基底之间形成。静电力取决于该质量块与该基底之间的间隙。由于该质量块在平面外振荡，该静电力是非线性的，这倾向于限制装置的性能。此外，由于在该质量块下方具有大的垂直间隙或空腔的要求，该静电力被减弱。实现大的幅值振荡要求强大的力并且可能要求高电压致动。添加高压致动增加了制作成本以及集成电路的复杂性。

此外，常规多轴陀螺仪可以使用以独立频率振荡的多个结构，以感测角速率。每个结构要求一个单独的驱动电路来振荡对应的质量块。具有不止一个驱动电路增加了成本和功耗。

相应地，期望的是提供一种克服上述问题的系统及方法。本发明解决了此需求。

发明概述

披露了一种陀螺仪。在一个实施例中，该陀螺仪包括一个基底；以及一个引导质量系统。该引导质量系统包括至少一个质量块以及至少一个引导臂。该至少一个质量块及该至少一个引导臂置于一个与该基底平行的平面内。该至少一个质量块耦联到该至少一个引导臂。

该至少一个引导臂还通过至少一个弹簧耦联到该基底。该至少一个引导臂允许该至少一个质量块在该平面内的一个第一方向上的运动。该至少一个引导臂及该至少一个质量块绕一个第一传感轴旋转。该第一传感轴在该平面内并且与该第一方向平行。

该陀螺仪包括一个致动器，该致动器用于在该第一方向上振动该至少一个质量块。该陀螺仪还包括一个换能器，该换能器用于响应于绕一个该平面内的并且与该第一方向正交的第一输入轴的角速度来感测该至少一个质量块垂直于该平面的运动。

根据本发明的一种方法及系统提供了一种以一个频率振荡的机械结构并且能够感测绕多个轴的角速率。一个驱动运动仅要求一个驱动电路，这降低了成本和功率。本发明的其他方面及优点将在下面的详细描述中变得更加明显，连同附图通过示例的方式展示本发明的原理。

附图简要说明

图1A至图1C展示了根据本发明的一种包括引导质量系统的陀螺仪的实施例。

图2展示了根据本发明的一种包括对称引导质量系统的陀螺仪的实施例。

图3展示了根据本发明的一种包括平衡引导质量系统的陀螺仪的实施例。

图4展示了根据本发明的一种包括减压引导质量系统的陀螺仪的实施例。

图5展示了根据本发明的一种包括引导质量系统的双轴陀螺仪的第一实施例。

图6展示了根据本发明的一种包括引导质量系统的双轴陀螺仪的第二实施例。

图7展示了根据本发明的一种包括引导质量系统的双轴陀螺仪的第三实施例。

图8展示了根据本发明的一种包括引导质量系统的三轴陀螺仪的实施例。

图9展示了根据本发明的一种包括平衡引导质量系统的双轴陀螺仪的第一实施例。

图10展示了根据本发明的一种包括平衡引导质量系统的双轴陀螺仪的第二实施例。

图11展示了根据本发明的一种包括多引导质量系统的三轴陀螺仪的第一实施例。

图12A至图12E展示了根据本发明的一种包括减压多引导质量系统的三轴陀螺仪的第二实施例。

优选实施方案的详细说明

本发明总体上涉及角速度传感器并且更具体地涉及具有至少一个质量块的平面内角速度传感器。以下描述被展示为使得本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明，并且提供在专利申请及其要求的背景中。对优选实施例以及在此描述的通用原理及特征作出的各种修改对本领域技术人员而言是非常明显的。因此，本发明并非旨在限定于所示实施例，而是要符合与在此描述的原理和特征相一致的最广泛范围。

根据本发明的一种方法及系统提供了一种作为陀螺仪的一部分的引导质量系统，该陀螺仪以一个频率振荡并且能够感测绕多个轴的角速率。一个驱动运动仅要求一个驱动电路，这降低了成本和功率。为了更加详细地描述本发明的特征，现在结合附图参照以下描述。

图1A展示了根据本发明的一种包括引导质量系统100的陀螺仪的实施例。该引导质量系统100放置在一个与一个基底101平行的X-Y平面内。Z方向垂直于该X-Y平面。该引导质量系统100包括引导臂104a及104b，这些引导臂通过弹簧108a及108b挠性地通过至少一个锚点106a耦联到该基底101。这两个引导臂104a及104b通过弹簧103a及103b挠性地耦联到一个滚动质量块102a。

该滚动质量块102a、引导臂104a及104b、锚点106a、以及弹簧103a、103b、108a及108b形成一个平面的四连杆结构。每个弹簧103a、103b、108a及108b都在Z方向上绕一个轴在平面内顺应，以便每个引导臂104a及104b可以在质量块102a在X方向上平移时在平面内旋转，如图1B所示。

弹簧108a及108b在X方向上绕一个第一滚动传感轴顺应，以便引导臂104a及104b可以旋转出平面。弹簧103a及103b在Z方向上是刚性的，由此引导臂104a及104b的平面外旋转使得滚动质量块102a随着引导臂104a及104b平面外运动，如图1C所示。

静电致动器（如梳状驱动器109a及109b）连接到滚动质量块102a以驱动引导质量系统100。在本实施例中使用了两个静电致动器。然而，本领域普通技术人员容易地认识到可以提供一个静电致动器并且使用一个静电致动器将在本发明的精神和范围内。此外，虽然静电致动器将在本说明书中被描述为用于驱动引导质量系统的致动器，本领域普通技术人员认识到各种各样的致动器可以用于此功能并且此使用将在本发明的精神和范围内。例如，这些致动器可以是压电的、热的、或电磁的等。

引导质量系统100可以由耦联到致动器109a及109b的一个单一驱动电路以一个驱动频率驱动。该驱动频率可以是引导质量系统100的谐振频率。当引导质量系统100被驱动时，引导臂104a及104b平面内旋转，并且滚动质量块102a在X方向上平面内平移，如图1B所示。在该基底的平面内并且与X方向正交的Y方向上绕一个滚动输入轴的角速度将使得科里奥利力在Z方向上作用于滚动质量块102a。科里奥利力使得引导质量系统100绕该第一滚动传感轴平面外旋转。当引导质量系统100平面外旋转时，引导臂104a及104b以及滚动质量块102a绕该第一滚动传感轴平面外旋转，如图1C所示。引导质量系统100的旋转的幅度与绕该滚动输入轴的角速度成比例。滚动质量块102a下方的换能器112a被用来检测该引导质量系统100绕该第一滚动传感轴的旋转。此旋转提供了对绕该滚动输入轴的角速度的测量。本发明中可以使用各种类型的换能器。例如，换能器112a可以是电容的、压电的、或光学的等，并且其使用将在本发明的精神和范围内。

图2展示了根据本发明的一种包括对称引导质量系统200的陀螺仪的实施例。该对称引导质量系统200包括与引导质量系统100类似的元件和连接，并且这些元件和连接具有类似的参考号。对称引导质量系统200包括一个通过弹簧103c及103d耦联到引导臂104a及104b的附加滚动质量块102b。引导臂104a及104b、滚动质量块102a及102b、以及耦联弹簧103a-d形成一个平面四连杆结构。附加静电致动器109c及109d连接到附加滚动质量块102b，以驱动对称引导质量系统200。

对称引导质量系统200可由一个耦联到致动器109a-d的单一驱动电路以一个驱动频率驱动。当引导质量系统200被驱动时，引导臂104a及104b各自在Z方向上绕不同的轴平面内旋转，并且滚动质量块102a及102b沿X方向反相平移。在本说明书中，反相是指以相反的方向，而同相是指以相同的方向。绕该滚动输入轴的角速度将使得科里奥利力在Z方向上反相作用于滚动质量块102a及102b。这些科里奥利力使得引导质量系统200绕该第一滚动传感轴平面外旋转。当引导质量系统200平面外旋转时，引导臂104a及104b绕该第一滚动传感轴旋转，并且滚动质量块102a及102b被引导臂104a及104b驱使进行平面外反相运动。滚动质量块102a及102b下方的换能器112a及112b分别用来检测引导质量系统200绕该第一滚动传感轴的旋转。此旋转提供了对绕该滚动输入轴的角速度的测量。

图3展示了根据本发明的一种包括平衡引导质量系统300的陀螺仪的实施例。该平衡引导质量系统300包括由耦联弹簧302a耦联在一起的两个对称引导质量系统200a及200b。安排这两个对称引导质量系统，从而使得滚动质量块102a-d都在X方向上运动。对称引导质量系统200a绕一个第一滚动传感轴平面外旋转。对称引导质量系统200b绕一个平面内的并且平行于该第一滚动传感轴的第二滚动传感轴进行平面外旋转。耦联弹簧302a连接到滚动质量块102b及102c。耦联弹簧302a在X方向上是刚性的，以便滚动质量块102b及102c在X方向上一起运动。这样以这种方式，这两个对称引导质量系统200a及200b被一个耦联到致动器109a-h的单一驱动电路以一个驱动频率一起驱动。耦联弹簧302a在X方向上绕一个轴扭转地顺应，从而使得对称引导质量系统200a及200b可以绕该第一及第二滚动传感轴进行平面外反相旋转。耦联弹簧302a在Z方向上是刚性的，这阻止了对称引导质量系统200a及200b进行平面外同相旋转。

平衡引导质量系统300允许对于绕该滚动输入轴的角速度敏感并且抑制在X方向上绕一个X输入轴的角加速度的一个陀螺仪。绕该滚动输入轴的角速度使得科里奥利力在正和负Z方向上作用于滚动质量块102a-d。这些科里奥利力使得对称引导质量系统200a及200b绕该第一及第二滚动传感轴进行平面外反相旋转。滚动质量块102a-d下方的换能器112a-c用来检测对称引导质量系统200a及200b绕该第一及第二滚动传感轴的旋转。

外部施加的绕该X输入轴的角加速度将在对称引导质量系统200a及200b上产生同相惯性扭矩。然而，这些对称引导质量系统不进行旋转，因为耦联弹簧302a阻止绕该第一及第二滚动传感轴的同相旋转。可以连接换能器112a及112c，以便不检测对称引导质量系统200a及200b的同相旋转，这提供了对绕该X输入轴的外部施加的角加速度的额外抑制。

图4展示了根据本发明的一种包括减压引导质量系统400的陀螺仪的实施例。该减压引导质量系统400包括一个耦联到减压框架402的对称引导质量系统200。该减压框架402通过弹簧108a及108b连接到引导臂104a及104b并且环绕着对称引导质量系统200。减压框架402包括两个减压框架构件404a及404b，它们分别通过减压弹簧408a-d耦联到锚点406a及406b。减压构件404a及404b还可以是挠性的。

由于热应力、封装压力、或其他外部施加的压力，锚点406a及406b可能体验到如平移、扩张、剪切的运动。锚点运动可在该对称引导质量系统上引起压力，如张力，导致如改变硬度和谐振频率的错误；锚点运动还可引起该对称引导质量系统的多余运动，导致错误。减压框架402减少了对称引导质量系统200的压力和多余运动。

图5展示了根据本发明的一种包括引导质量系统500的双轴陀螺仪的实施例。该引导质量系统500包括一个耦联到一个偏航质量块518a的引导质量系统100。该偏航质量块518a通过偏航弹簧520a-d挠性地连接到滚动质量块102a。偏航弹簧520a-d在X方向上是刚性的，这样使得当该引导质量系统被驱动时，偏航质量块518a也在X方向上随滚动质量块102a平移。

Z方向上绕一个偏航输入轴的角速度将使得科里奥利力在Y方向上作用于偏航质量块518a，导致偏航质量块518a在Y方向上的运动。换能器522a用于感测偏航质量块518a在Y方向上的运动，这提供了对绕该偏航输入轴的角速度的测量。

图6展示了根据本发明的一种包括引导质量系统600的双轴陀螺仪的第二实施例，该引导质量系统被一个减压框架402环绕。该引导质量系统600包括一个耦联到一个倾斜质量块650a的对称引导质量系统200。该减压框架402通过弹簧108a及108b连接到引导臂104a及104b并且环绕着对称引导质量系统200。

该倾斜质量块650a通过弹簧652a及652b挠性地连接到两个滚动质量块102a及102b。弹簧652a及652b扭转地顺应，以便倾斜质量块650a可以在Y方向上绕一个倾斜传感轴平面外旋转。弹簧652a及652b平面内顺应，以便当滚动质量块102a及102b在X方向上被反相驱动时，倾斜质量块650a在Z方向上绕一个轴平面内旋转。

绕该倾斜输入轴的角速度将使得科里奥利力作用于倾斜质量块650a，导致一个绕该倾斜传感轴旋转倾斜质量块650a的扭矩。倾斜质量块650a的旋转的幅度与绕该倾斜输入轴的角速度成比例。换能器660a及660b在倾斜质量块650a下方沿X方向置于相对面，并且检测该倾斜质量块绕该倾斜传感轴的旋转。此旋转提供了对绕该倾斜输入轴的角速度的测量。

图7展示了根据本发明的一种包括引导质量系统700的双轴陀螺仪的第三实施例。该引导质量系统700包括一个耦联到两个偏航质量块518a及518b的对称引导质量系统200。偏航质量块518a及518b分别通过弹簧520a-d及520e-h挠性地连接到滚动质量块102a及102b。当引导质量系统700被驱动时，偏航质量块518a及518b还在X方向上反相平移。

绕该偏航输入轴的角速度将使得科里奥利力作用于偏航质量块518a及518b，导致偏航质量块518a及518b沿Y方向反相运动。这些偏航质量块沿Y方向的运动的幅度与该角速度成比例。换能器522a及522b用来感测对应的偏航质量块518a及518b沿Y方向的运动。

图8展示了根据本发明的一种包括引导质量系统800的三轴陀螺仪的实施例，该引导质量系统被一个减压框架402环绕。该引导质量系统800包括一个耦联到两个偏航质量块518a及518b的引导质量系统600。该减压框架402通过弹簧108a及108b连接到引导臂104a及104b并且环绕着对称引导质量系统200。偏航质量块518a及518b分别通过弹簧520a-d及520e-h挠性地连接到滚动质量块102a及102b。当引导质量系统800被驱动时，偏航质量块518a及518b还在X方向上反相平移。

绕该滚动输入轴的角速度将导致科里奥利力在Z方向上反相作用于滚动质量块102a及102b上。这些科里奥利力使得引导质量系统800绕该第一滚动传感轴平面外旋转。当引导质量系统800平面外旋转时，引导臂104a及104b绕该第一滚动传感轴旋转，并且滚动质量块102a及102b被引导臂104a及104b驱使进行平面外反相运动。滚动质量块102a及102b下方的换能器112a及112b分别用来检测引导质量系统800绕该第一滚动传感轴的旋转。此旋转提供了对绕该滚动输入轴的角速度的测量。

绕该倾斜输入轴的角速度将使得科里奥利力作用于倾斜质量块650a，导致一个绕该倾斜传感轴旋转倾斜质量块650a的扭矩。倾斜质量块650a的旋转的幅度与绕该倾斜输入轴的角速度成比例。换能器660a及660b在倾斜质量块650a下方沿X方向置于相对面，并且检测该倾斜质量块绕该倾斜传感轴的旋转，该旋转提供了对绕该倾斜输入轴的角速度的测量。

绕该偏航输入轴的角速度将使得科里奥利力作用于偏航质量块518a及518b，导致偏航质量块518a及518b沿Y方向反相运动。这些偏航质量块沿Y方向的运动的幅度与该角速度成比例。换能器522a及522b用来感测对应的偏航质量块518a及518b沿Y方向的运动。

图9展示了根据本发明的一种包括平衡引导质量系统900的双轴陀螺仪的实施例。该引导质量系统900包括由耦联弹簧302a耦联在一起的两个引导质量系统600a及600b。引导质量系统600a及600b通过弹簧108a-d连接到锚点106a-d。在另一个实施例中，引导质量系统600a及600b可以通过弹簧108a-d耦联到减压框架402。

对称引导质量系统600a绕一个第一滚动传感轴平面外旋转。对称引导质量系统600b绕一个平面内的并且与该第一滚动传感轴平行的第二滚动传感轴平面外旋转。耦联弹簧302a连接到滚动质量块102b及102c。耦联弹簧302a绕一个轴在X方向上扭转地顺应，以便对称引导质量系统600a及600b可以绕该第一及第二滚动传感轴进行平面外反相旋转。耦联弹簧302a在Z方向上是刚性的，这阻止了对称引导质量系统600a及600b进行平面外同相旋转。倾斜质量块650a及650b通过弹簧652a-d各自挠性地连接到其对应的四个滚动质量块102a-102d。弹簧652a及652b扭转地顺应，以便倾斜质量块650a可以在Y方向上绕一个第一倾斜传感轴平面外旋转，并且弹簧652c及652d扭转地顺应，以便倾斜质量块650b可以在Y方向上绕一个第二倾斜传感轴平面外旋转。

安排了两个对称引导质量系统600a及600b，从而使得滚动质量块102a-d都在X方向上运动。耦联弹簧302a在X方向上是刚性的，以便滚动质量块102b及102c在X方向上一起运动。滚动质量块102a及102d在滚动质量块102b及102c的对立面运动。弹簧652a-d平面内顺应，以便当滚动质量块102a-d被驱动时，倾斜质量块650a及650b绕单独的轴在Z方向上平面内反相旋转。静电致动器109a-h（如梳状驱动器）连接到滚动质量块102a-d，以驱动平衡引导质量系统900。包括滚动质量块102a-d和倾斜质量块650a及650b的两个引导质量系统600a及600b被一个耦联到致动器109a-h的单一驱动电路以一个驱动频率一起驱动。

X方向上绕该倾斜输入轴的角速度将使得科里奥利力分别绕该第一及第二倾斜传感轴作用于倾斜质量块650a及650b。这些科里奥利力使得倾斜质量块650a及650b绕该第一及该第二倾斜传感轴平面外反相旋转。倾斜质量块650a及650b绕该第一及该第二倾斜传感轴的旋转的幅度与绕该倾斜输入轴的角速度成比例。倾斜质量块650a及650b下方的换能器660a-660d用来检测绕该第一及该第二倾斜传感轴的反相旋转。外部施加的绕该倾斜输入轴的角加速度将在倾斜质量块650a及650b上产生同相惯性扭矩，使得它们绕该第一及该第二倾斜传感轴同相旋转。可以耦联换能器660a及660d并且可以耦联换能器660b及660c，以便不检测倾斜质量块650a及650b的同相旋转，但是检测反相旋转。

绕该滚动输入轴的角速度将使得科里奥利力在Z方向上作用于滚动质量块102a-d。这些科里奥利力使得对称引导质量系统600a及600b绕该第一及第二滚动传感轴平面外反相旋转。滚动质量块102a-d下方的换能器112a-c被用来检测对称引导质量系统600a及600b的旋转。外部施加的绕该倾斜输入轴的角加速度将在对称引导质量系统600a及600b上产生同相惯性扭矩。然而，对称引导质量系统600a及600b不会旋转，因为耦联弹簧302a阻止绕该第一及第二滚动传感轴的同相旋转。可以耦联换能器112a及112c，从而使得不检测对称引导质量系统600a及600b的同相旋转但检测反相旋转。

图10展示了根据本发明的一种包括平衡引导质量系统1000的双轴陀螺仪的另一个实施例。该引导质量系统1000包括由一个耦联弹簧302a连接的两个对称引导质量系统700a及700b。

安排了这两个对称引导质量系统700a及700b，从而使得滚动质量块102a-d都在X方向上运动。对称引导质量系统700a绕一个第一滚动传感轴平面外旋转。对称引导质量系统700b绕一个平面内的并且与该第一滚动传感轴平行的第二滚动传感轴平面外旋转。耦联弹簧302a连接到滚动质量块102b及102c。耦联弹簧302a在X方向上是刚性的，以便滚动质量块102b及102c在X方向上一起运动。以这种方式，这两个引导质量系统700a及700b被一个耦联到致动器109a-h的单一驱动电路以一个驱动频率一起驱动。耦联弹簧302a在X方向上绕一个轴扭转地顺应，以便对称引导质量系统700a及700b可以绕该第一及第二滚动传感轴平面外反相旋转。耦联弹簧302a在Z方向上是刚性的，这阻止了对称引导质量系统700a及700b平面外同相旋转。

绕该偏航输入轴的角速度将使得科里奥利力作用于偏航质量块518a-d，导致偏航质量块518a-d沿Y轴的运动。偏航质量块518a-d的运动的幅度与绕该偏航输入轴的角速度成比例。换能器522a-d被用来感测对应的偏航质量块518a-d在Y方向上的运动。

绕该滚动输入轴的角速度将使得科里奥利力在Z方向上作用于滚动质量块102a-d。这些科里奥利力使得对称引导质量系统700a及700b绕该第一及第二滚动传感轴平面外反相旋转。对称引导质量系统700a及700b的旋转的幅度与该角速度成比例。滚动质量块102a-d下方的换能器112a-c用来检测对称引导质量系统700a及700b的旋转。外部施加的绕该倾斜输入轴的角加速度将在对称引导质量系统700a及700b上产生同相惯性扭矩。然而，对称引导质量系统700a及700b不旋转，因为耦联弹簧302a阻止了绕该第一及第二滚动传感轴的同相旋转。可以耦联换能器112a及112c，以便不检测对称质量系统700a及700b的同相旋转但检测反相旋转。

图11展示了根据本发明的一种包括多引导质量系统1100的三轴陀螺仪的实施例。该多引导质量系统1100包括由耦联弹簧302a及302b耦联到一个引导质量系统600的两个引导质量系统500a及500b。

安排了引导质量系统500a、500b及600，从而使得滚动质量块102a-d都在X方向上运动，倾斜质量块650a在Z方向上绕一个轴旋转，并且偏航质量块518a及518b在X方向上反相运动。引导质量系统500a绕一个第一滚动传感轴平面外旋转。对称引导质量系统600绕一个平行于该第一滚动传感轴的第二滚动传感轴平面外旋转。引导质量系统500b绕一个与该第一及第二滚动传感轴平行的第三滚动传感轴平面外旋转。第一耦联弹簧302a连接到滚动质量块102a及102b。耦联弹簧302a在X方向上是刚性的，以便滚动质量块102a及102b在X方向上一起运动。第二耦联弹簧302b连接到滚动质量块102c及102d。耦联弹簧302b在X方向上是刚性的，这样使得滚动质量块102c及102d在X方向上一起运动。以这种方式，滚动质量系统500a、500b、及600被一个耦联到致动器109a-h的单一驱动电路以一个驱动频率一起驱动。

耦联弹簧302a在X方向上绕一个轴扭转地顺应，从而使得引导质量系统500a及600可以绕该第一及第二滚动传感轴平面外反相旋转。耦联弹簧302a阻止对称引导质量系统500a及600进行平面外同相旋转。

耦联弹簧302b还在X方向上绕一个轴扭转地顺应，以便引导质量系统500b及600可以绕该第二及第三滚动传感轴平面外反相旋转。耦联弹簧302b阻止对称引导质量系统500b及600进行平面外同相旋转。

绕该倾斜输入轴的角速度将使得科里奥利力作用于倾斜质量块650a，导致一个绕该倾斜传感轴旋转倾斜质量块650a的扭矩。倾斜质量块650a的旋转的幅度与绕该倾斜输入轴的角速度成比例。换能器660a及660b在倾斜质量块650a下方沿X方向置于相对面，并且检测该倾斜质量块绕该倾斜传感轴的旋转。该旋转提供了对绕该倾斜输入轴的角速度的测量。

绕该滚动输入轴的角速度将使得科里奥利力在Z方向上作用于滚动质量块102a及102b并且在相反的Z方向上作用于滚动质量块102c及102d。这些科里奥利力使得引导质量系统500a、600、及500b分别绕该第一、第二、及第三滚动传感轴平面外旋转。滚动质量块102a及102b下方的换能器112a和滚动质量块102c及102d下方的换能器112b被用来检测引导质量系统1100的旋转。此旋转提供了对绕该滚动输入轴的角速度的测量。

绕该偏航输入轴的角速度将使得科里奥利力作用于偏航质量块518a及518b，导致偏航质量块518a及518b沿Y方向反相运动。这些偏航质量块沿Y方向的运动的幅度与该角速度成比例。换能器522a及522b用来感测对应的偏航质量块518a及518b沿Y方向的运动。

图12A展示了根据本发明的一种包括多引导质量系统1200的三轴陀螺仪的实施例。该多引导质量系统1200包括耦联到一个减压框架402的该多引导质量系统1100。

该减压框架402分别通过弹簧108a-f连接到引导臂104a-f并且环绕着多引导质量系统1100。

安排了引导质量系统500a、500b及600，从而使得当滚动质量块102a-d都在X方向上运动时，倾斜质量块650a在Z方向上绕一个轴旋转，并且偏航质量块518a及518b在X方向上反相运动，如图12B所示。引导质量系统500a、500b、及600被一个耦联到致动器109a-h的单一驱动电路以一个驱动频率一起驱动。

绕该倾斜输入轴的角速度将使得科里奥利力作用于倾斜质量块650a，导致一个绕该倾斜传感轴旋转倾斜质量块650a的扭矩，如图12C所示。倾斜质量块650a的旋转的幅度与绕该倾斜输入轴的角速度成比例。换能器660a及660b在倾斜质量块650a下方沿X方向置于相对面，并且检测该倾斜质量块绕该倾斜传感轴的旋转。该旋转提供了对绕该倾斜输入轴的角速度的测量。

绕该滚动输入轴的角速度将使得科里奥利力在Z方向上作用于滚动质量块102a及102b并且在相反的Z方向上作用于滚动质量块102c及102d。这些科里奥利力使得引导质量系统500a、600、及500b分别绕该第一、第二、及第三滚动传感轴平面外旋转，如图12D所示。滚动质量块102a及102b下方的换能器112a和滚动质量块102c及102d下方的换能器112b被用来检测引导质量系统1100的旋转。此旋转提供了对绕该滚动输入轴的角速度的测量。

绕该偏航输入轴的角速度将使得科里奥利力作用于偏航质量块518a及518b，导致偏航质量块518a及518b沿Y方向的运动，如图12E所示。这些偏航质量块沿Y方向的运动的幅度与该角速度成比例。换能器522a及522b用来感测对应的偏航质量块518a及518b沿Y方向的运动。

结论

根据本发明的一种陀螺仪包括一个或多个引导质量系统，该一个或多个引导质量系统以一个频率振荡并且能够绕多个轴感测角速率。在一个优选实施例中，一个驱动运动仅要求一个驱动电路，这降低了成本和功率。尽管已经根据所示实施例对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员将容易地认识到，可以对这些实施例进行变更并且那些变更将在本发明的精神和范围内。相应地，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员可以作出许多修改。

Claims (12)

1.一种陀螺仪，包括；

一个基底；

一个引导质量系统，该引导质量系统包括至少一个质量块以及至少一个引导臂；其中，该至少一个质量块以及该至少一个引导臂置于一个与该基底平行的平面内；该至少一个质量块耦联到该至少一个引导臂；该至少一个引导臂通过至少一个弹簧耦联到该基底；其中，该至少一个引导臂允许该至少一个质量块在该平面内的一个第一方向上的运动；其中，该至少一个引导臂以及该至少一个质量块能够绕一个第一传感轴旋转出该平面，该第一传感轴在该平面内并且与该第一方向平行；

一个致动器，用于在该第一方向上振动该至少一个质量块；以及

一个换能器，用于响应于绕该平面内的并且与该第一方向正交的一个第一输入轴的角速度来感测该至少一个质量块垂直于该平面的运动。

2.如权利要求1所述的陀螺仪，其中，该至少一个质量块包括至少两个质量块，该至少两个质量块耦联到至少一个引导臂，该至少一个引导臂通过至少一个弹簧耦接到该基底；其中，该至少一个引导臂允许该至少两个质量块沿一个第一方向的反相运动以及该至少两个质量块垂直于该平面的反相运动。

3.如权利要求1所述的陀螺仪，进一步包括：

耦联到该至少一个质量块的至少另外一个质量块，其中，当该至少一个质量块振动时该至少另外一个质量块振动；以及

至少另外一个换能器，用于响应于绕一个不是该第一输入轴的轴的角速度来感测该至少另外一个质量块的运动。

4.如权利要求2所述的陀螺仪，包括：

耦联到该至少一个质量块的至少另外一个质量块，其中，当该至少一个质量块振动时该至少另外一个质量块平面内旋转；以及

一个第二换能器，用于响应于一个绕平面内的并且与该第一输入轴正交的第二输入轴的角速度来检测该至少另外一个质量块绕一个与该第一传感轴正交的第二传感轴的旋转。

5.如权利要求1所述的陀螺仪，包括：

耦联到该至少一个质量块的至少另外一个质量块，其中，当该至少一个质量块振动时，该至少另外一个质量块在该第一方向上并且响应于该陀螺仪绕一个与该平面正交的第二输入轴的角旋转而进行平移，该至少另外一个质量块在与该第一方向正交的该平面内平移；以及

一个第二换能器，用于检测该至少另外一个质量块在与该第一方向正交的该平面内的运动。

6.一种陀螺仪，包括；

一个基底；

一个引导质量系统，该引导质量系统包括一个第一质量块以及至少一个引导臂；其中，该第一质量块以及该至少一个引导臂置于一个与该基底平行的平面内；该第一质量块耦联到该至少一个引导臂；该至少一个引导臂通过至少一个弹簧耦联到该基底；其中，该至少一个引导臂允许该第一质量块在该平面内的一个第一方向上的运动；其中，该至少一个引导臂以及该第一质量块能够绕一个第一传感轴旋转出该平面，该第一传感轴在该平面内并且与该第一方向平行；

耦联到该第一质量块的一个第二质量块，其中，当第一质量块在该第一方向上运动时，该第二质量块在平面内旋转；

耦联到该第一质量块的一个第三质量块，其中，当该第一质量块在该第一方向上运动时，该第三质量块在该第一方向上运动。

一个致动器，用于在该第一方向上振动该第一质量块；

一个第一换能器，用于响应于绕一个该平面内的并且与该第一方向正交的第一输入轴的角速度来感测该第一质量块垂直于该平面的运动；

一个第二换能器，用于响应于绕一个平面内的并且与该第一输入轴正交的第二输入轴的角速度来检测该第二质量块绕一个与该第一输入轴正交的第二输入轴的旋转；以及

一个第三换能器，用于响应于该陀螺仪的绕一个垂直于该平面的第三输入轴的角旋转来检测该第三质量块平面内的并且与该第一方向正交的运动。

7.如权利要求2所述的陀螺仪，进一步包括：

一个减压框架，其中，该至少一个引导臂通过该至少一个弹簧挠性地耦联到该减压框架，其中该减压框架耦联到该基底，其中该减压框架不由该致动器驱动；其中该减压框架对来自该至少一个弹簧的那些基底耦联点的运动进行去耦，以防止对该至少一个弹簧的压力。

8.一种陀螺仪，包括：

一个基底；

一个第一引导质量系统，该第一引导质量系统包括至少一个质量块以及至少一个引导臂；其中，该至少一个质量块以及该至少一个引导臂与该基底平行放置；该至少一个质量块耦联到该至少一个引导臂；该至少一个引导臂通过至少一个弹簧耦联到该基底；其中，该至少一个引导臂允许该至少一个质量块在与该基底平行的平面内向一个第一方向的运动；其中，该至少一个引导臂以及该至少一个质量块绕一个第一传感轴旋转，该第一传感轴在平面内并且与该第一方向平行；

一个第一弹簧；

一个第二引导质量系统，该第二引导质量系统由该第一弹簧耦联到该第一引导质量系统；该第二引导质量系统包括至少一个质量块以及至少一个引导臂；其中，该至少一个质量块以及该至少一个引导臂与该基底平行放置；该至少一个质量块耦联到该至少一个引导臂；该至少一个引导臂通过至少一个弹簧耦联到该基底；其中，该至少一个引导臂允许该至少一个质量块向该第一方向的运动；其中，该至少一个引导臂以及该至少一个质量块绕一个第二传感轴旋转，该第二传感轴在平面内并且与该第一方向平行；

其中，该第一引导质量系统响应于角速率绕该第一轴旋转，该第二引导质量系统响应于角速率绕该第二轴旋转，并且该第一及第二引导质量系统响应于角速率反相旋转；

一个致动器，用于在该第一方向上振动该至少一个质量块中的每一个；以及

一个换能器，用于响应于与该基底平行的并且与该第一方向正交的角速度来感测垂直于该基底的至少一个质量块运动。

9.如权利要求8所述的陀螺仪，进一步包括：

一个减压框架，其中，该至少一个引导臂通过该第一及第二引导质量系统的该至少一个弹簧挠性地耦联到该减压框架，其中该减压框架耦联到该基底，其中该减压框架不由该致动器驱动；其中该减压框架对来自该至少一个弹簧的那些基底耦联点的运动进行去耦，以防止对该至少一个弹簧的压力。

10.如权利要求8所述的陀螺仪，进一步包括：

一个第二弹簧；

一个第三引导质量系统，该第三引导质量系统由该第二弹簧耦联到该第一引导质量系统；该第三引导质量系统包括至少一个质量块以及至少一个引导臂；其中，该至少一个质量块以及该至少一个引导臂与该基底平行放置；该至少一个质量块耦联到该至少一个引导臂；该至少一个引导臂通过至少一个弹簧耦联到该基底；其中，该至少一个引导臂允许该至少一个质量块向该第一方向的运动；其中，该至少一个引导臂以及该至少一个质量块绕一个第三传感轴旋转，该第三传感轴在平面内并且与该第一方向平行；

其中，该第二引导质量系统响应于角速率绕该第一轴旋转，该第三引导质量系统响应于角速率绕该第二轴旋转，并且该第二及第三引导质量系统响应于角速率反相旋转；

11.如权利要求10所述的陀螺仪，进一步包括：

一个减压框架，其中，该至少一个引导臂通过该第一、第二及第三引导质量系统的该至少一个弹簧挠性地耦联到该减压框架，其中该减压框架耦联到该基底，其中该减压框架不由该致动器驱动；其中该减压框架对来自该至少一个弹簧的那些基底耦联点的运动进行去耦，以防止对该至少一个弹簧的压力。

12.一种陀螺仪，包括；

一个基底；

一个引导质量系统，该引导质量系统包括至少两个质量块以及至少一个引导臂；其中，该至少两个质量块以及该至少一个引导臂置于一个与该基底平行的平面内；该至少两个质量块耦联到该至少一个引导臂；该至少一个引导臂通过至少一个弹簧耦联到该基底；其中，该至少一个引导臂允许该至少两个质量块在该平面内沿一个第一方向的反相运动；

耦联到该至少两个质量块的至少另外一个质量块，其中，当该至少两个质量块在该第一方向上反相运动时该至少另外一个质量块平面内旋转；以及

一个致动器，用于在该第一方向上反相振动该至少两个质量块；以及

一个换能器，用于响应于绕一个在平面内的并且与该第一方向平行的输入轴的角速度来检测该至少另外一个质量块绕一个在该平面内的并且与该第一方向正交的传感轴的旋转。

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