CN105444748A - 抗干扰的陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抗干扰的陀螺仪，包括第一检测质量、第二检测质量和驱动质量；驱动质量分别与第一检测质量及第二检测质量连接，以驱动第一检测质量及第二检测质量反向振动；第一检测质量及第二检测质量均具有第一方向的转轴和第二方向的转轴；在陀螺仪具有绕第一方向的角速度的情况下，第一检测质量与第二检测质量绕第二方向转轴反向转动，以检测陀螺仪绕第一方向的角速度；在陀螺仪具有绕第二方向的角速度的情况下，第一检测质量与第二检测质量绕第一方向转轴反向转动，以检测陀螺仪绕第二方向的角速度；第一方向与第二方向垂直，第一检测质量的检测信号与第二检测质量的检测信号之和作为陀螺仪的角速度检测的输出信号。

Description

抗干扰的陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机械技术领域，尤其涉及一种抗干扰的陀螺仪。

背景技术

陀螺仪又称角速度计，可以用来检测旋转的角速度和角度。正如我们所熟知，传统的机械式陀螺、精密光纤陀螺和激光陀螺等已经在航空、航天或其它军事领域得到了广泛地应用。然而，这些陀螺仪由于成本太高和体积太大而不适合应用于消费电子中。微机械陀螺仪由于内部无需集成旋转部件，而是通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度，因此微机械陀螺仪非常容易小型化和批量生产，具有成本低和体积小等特点。近年来，微机械陀螺仪在很多应用中受到密切地关注，例如，陀螺仪配合微机械加速度传感器用于惯性导航、在数码相机中用于稳定图像、用于电脑的无线惯性鼠标等等。

微机械陀螺仪包括驱动部分和检测部分，通过驱动和检测运动的耦合作用实现对运动角速度的测量；当陀螺处于驱动运动模态，并且在与驱动模态运动轴向垂直的第二方向有角速度输入时，由于哥氏效应陀螺仪在检测轴向产生检测模态运动，通过测量检测模态运动的位移，即刻测定物体的转动角速度。随着微机电陀螺技术的发展，高集成度、低成本的三轴测量陀螺满足了现代消费电子产品的需求，成为微机电陀螺仪发展的趋势。

但是，两轴或者三轴陀螺仪在使用时，非检测信号会对陀螺仪的检测造成干扰，如何降低甚至去除干扰信号是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种抗干扰的陀螺仪，其能够减少或完全消除振动对角速度检测信号的干扰，更加准确的测量陀螺仪的角速度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种抗干扰的陀螺仪，包括第一检测质量、第二检测质量和驱动质量；所述驱动质量分别与所述第一检测质量及第二检测质量连接，以驱动所述第一检测质量及第二检测质量反向振动；所述第一检测质量及第二检测质量均具有第一方向的转轴和第二方向的转轴；在所述陀螺仪具有绕第一方向的角速度的情况下，所述第一检测质量与所述第二检测质量绕第二方向转轴反向转动，以检测所述陀螺仪绕第一方向的角速度；在所述陀螺仪具有绕第二方向的角速度的情况下，所述第一检测质量与所述第二检测质量绕第一方向转轴反向转动，以检测所述陀螺仪绕第二方向的角速度；所述第一方向与所述第二方向垂直，第一检测质量的检测信号与所述第二检测质量的检测信号之和作为陀螺仪的角速度检测的输出信号。

进一步，所述第一检测质量包括锚点、第一质量块、第二质量块和第三质量块；所述锚点设置在所述第一质量块内，并固定在陀螺仪的一基板上；所述第一质量块设置在第二质量块内，并通过在第一方向对称的第一弹性梁悬挂在所述锚点上；所述第二质量块设置在第三质量块内，并通过在第二方向对称的第二弹性梁悬挂在所述第一质量块上；所述第三质量块通过在第一方向对称的第三弹性梁悬挂在第二质量块上，并通过在第二方向对称的第四弹性梁与所述驱动质量连接；所述第一质量块具有第一方向的转轴，所述第二质量块具有第一方向和第二方向的转轴，所述第三质量块具有第二方向的转轴；所述第二检测质量的结构与所述第一检测质量的结构相同。

进一步，所述第一质量块与所述第一弹性梁对应的位置设置有第一凹陷，所述第一凹陷用于容纳所述第一弹性梁；所述第二质量块与所述第二弹性梁对应的位置设置有第二凹陷，所述第二凹陷用于容纳所述第二弹性梁；所述第二质量块与所述第三弹性梁对应的位置设置有第三凹陷，所述第三凹陷用于容纳所述第三弹性梁；所述第三质量块与所述第四弹性梁对应的位置设置有第四凹陷，所述第四凹陷用于容纳所述第四弹性梁；所述第三质量块在所述第四凹陷对应位置具有一凸起，所述第二质量块在与所述凸起对应的位置具有一容纳部，所述凸起伸入所述容纳部。

进一步，所述陀螺仪还包括一基板，在所述基板上与所述第一检测质量及第二检测质量对应位置分别设置有第一检测电极和第二检测电极，所述第一检测电极与所述第二检测电极排布方式相同。

进一步，所述第一检测质量和第二检测质量沿第二方向对称设置。

进一步，还包括一Z轴检测质量，用于检测陀螺仪在Z轴上的加速度。

进一步，所述Z轴检测质量沿所述第一方向对称设置。

进一步，所述Z轴检测质量具有活动电极，所述陀螺仪的基板上设置固定电极，所述活动电极与所述固定电极形成梳齿状电容，用于检测Z轴加速度。

进一步，所述驱动质量包括上驱动质量和下驱动质量，所述上驱动质量与所述下驱动质量运动方向相反，以带动所述第一检测质量及第二检测质量顺时针或逆时针运动。

本发明的优点在于，在陀螺仪受到一绕一个方向的角速度转动时，可能还会受到在某一方向上的振动，转动和振动作用于检测质量，则检测质量检测到的信号是转动与振动的总信号，我们希望检测质量检测的信号是转动的信号，则振动信号为干扰信号，造成转动信号检测不准确。本发明的第一检测质量及第二检测质量在驱动质量的作用下具有相反的振动方向，使得在陀螺仪受到一绕一个方向的角速度转动时，所述第一检测质量与所述第二检测质量受到的科里奥利力力矩方向相反，第一检测质量与第二检测质量倾斜方向相反，两者检测信号方向相同。若陀螺仪受到某一方向的振动，该振动不会使第一检测质量及第二检测质量产生科里奥利力，而是会使第一检测质量与第二检测质量受到同一方向的力，在该力的作用下，第一检测质量与第二检测质量倾斜方向一致，两者检测信号方向相反。因此，将第一检测质量的检测信号与第二检测质量的检测信号之和作为总的输出信号，则振动带来的检测信号由于方向相反，相加时会相互抵消，从而避免了振动信号对角速度信号的影响，减小或者完全去除振动信号对角速度信号的影响，使得角速度信号检测更准确。

附图说明

图1是本发明抗干扰的陀螺仪的第一具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明抗干扰的陀螺仪的第二具体实施方式的第一检测质量结构示意图；

图3是本发明抗干扰的陀螺仪的第二具体实施方式的结构示意图；

图4是本发明抗干扰的陀螺仪的第三具体实施方式的第一检测质量结构示意图；

图5是本发明抗干扰的陀螺仪的第一具体实施方式的第一状态示意图；

图6是本发明抗干扰的陀螺仪的第一具体实施方式的第二状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的抗干扰的陀螺仪的具体实施方式做详细说明。

参见图1，本发明一种抗干扰的陀螺仪包括第一检测质量1、第二检测质量2和驱动质量。所述驱动质量分别与所述第一检测质量1及第二检测质量2连接，以驱动所述第一检测质量1及第二检测质量2反向运动。

在本具体实施方式中，所述驱动质量包括上驱动质量3和下驱动质量4，所述上驱动质量3和下驱动质量4运动方向相反，以带动所述第一检测质量1及第二检测质量2顺时针或逆时针运动。所述上驱动质量3和下驱动质量4沿第二方向的对称轴对称设置，并可沿第一方向的正负方向运动，所述第一方向与所述第二方向垂直，在本具体实施方式中，所述第一方向为Y方向，所述第二方向为X方向。例如，在上驱动质量3向第一方向正向（Y方向正向）运动，下驱动质量4向第一方向负向（Y方向负向）运动时，所述第一检测质量1顺时针旋转，所述第二检测质量2逆时针旋转，第一检测质量1与第二检测质量2运动方向相反。所述驱动质量的驱动方式为现有技术中常用的驱动方式，例如，静电力驱动，在此不赘述。

所述第一检测质量1及第二检测质量2均具有第一方向的转轴（附图中未标示）和第二方向的转轴（附图中未标示）。在驱动质量的作用下，所述第一检测质量1和第二检测质量2反向振动，则在陀螺仪受到绕第一方向或者第二方向的角速度时，第一检测质量1和第二检测质量2受到相反方向的绕第二方向或者第一方向的科里奥利力力矩，从而第一检测质量1和第二检测质量2绕第二方向的转轴或者第一方向的转轴做相反方向的旋转运动。

在陀螺仪受到绕第二方向（X方向）的角速度时，此时陀螺仪在驱动质量的作用下在面内做相反方向的振动，则第一检测质量1和第二检测质量2受到相反方向的绕第一方向（Y方向）的科里奥利力力矩，第一检测质量1和第二检测质量2分别在各自受到的科里奥利力力矩的作用下绕第一方向（Y方向）的转轴做相反方向的运动。

在陀螺仪受到绕第一方向（Y方向）的角速度时，此时陀螺仪在驱动质量的作用下在面内做相反方向的振动，则第一检测质量1和第二检测质量2受到相反方向的绕第二方向（X方向）的科里奥利力力矩，第一检测质量1和第二检测质量2分别在各自受到的科里奥利力力矩的作用下绕第二方向（X方向）的转轴做相反方向的运动。

在受到绕一方向的角速度时，所述第一检测质量1与所述第二检测质量2向相反方向振动，将第一检测质量1的检测信号与所述第二检测质量2的检测信号之和作为陀螺仪的角速度检测的输出信号，从而检测陀螺仪受到的角速度。所述第一检测质量1与所述第二检测质量2振动方向相反时，所述第一检测质量1的检测信号与所述第二检测质量2的检测信号方向相同，两者之和可作为陀螺仪的角速度检测的输出信号。

在所述陀螺仪受到绕一方向的角速度时，所述陀螺仪可能还会受到某一方向的振动，该振动并没有施加给陀螺仪一角速度，所以该振动并不会引起科里奥利力，因此，在受到该振动时，第一检测质量1与第二检测质量2会发生同向运动，此时，所述第一检测质量1的检测信号与所述第二检测质量2的检测信号方向相反，在以第一检测质量1的检测信号与所述第二检测质量2的检测信号之和作为陀螺仪的角速度检测的输出信号时，两个相反的信号相加，则该两个信号抵消，从而在最终的输出信号中没有包括振动带来的信号，使得输出信号仅包括绕一方向的角速度信号，排除了振动对角速度检测的干扰，角速度信号的检测更加准确。

在所述陀螺仪的基板5上与所述第一检测质量1及第二检测质量2对应位置分别设置有第一检测电极和第二检测电极，在本具体实施方式中，所述第一检测电极包括四个两两相对设置的电极，所述第二检测电极包括四个两两相对设置的电极。所述第一检测电极及第二检测电极在附图中采用虚线表示。由于以第一检测质量1的检测信号与第二检测质量2的检测信号之和作为检测轴的输出信号来抵消振动对角速度检测的影响，所以，所述第一检测电极与所述第二检测电极的排布方式相同，以保证第一检测质量1与第二检测质量2输出的信号能够一一对应，在进行检测信号叠加时，相应的振动信号才能完全抵消，以更好地排除振动对角速度信号检测的影响。下文以相对设置的电极6a、电极6b及相对设置的电极7a、电极7b为例详细描述本发明抗干扰的陀螺仪的检测信号与输出信号的关系。所述抗干扰陀螺仪设计电路检测累加电容C=C6a-C6b+C7a-C7b，C为电极与检测质量间的电容。当第一检测质量1及第二检测质量2振动方向相反时，C6a和C7a的变化符号（正负号）相同，并与C6b和C7b的变化符号相反，所以C有变化。而当两个检测质量振动方向相同时，C6a和C7a的变化符号（正负号）相反，并与C6b和C7b的变化符号相反，C6a、C6b、C7a、C7b相消，C没有变化。从而在最终的输出信号中没有包括振动带来的信号，使得输出信号仅包括绕一方向的角速度信号，排除了振动对角速度检测的干扰，角速度信号的检测更加准确。

进一步，所述第一检测质量1与第二检测质量2沿第二方向对称设置，所述第一方向与所述第二方向垂直。在本具体实施方式中，所述第一检测质量1与第二检测质量2沿第二方向（X方向）对称设置，即所述第一检测质量1与第二检测质量2的对称轴方向为与第二方向（X方向）垂直的第一方向（Y方向）。

进一步，所述陀螺仪还包括一Z轴检测质量8，用于检测陀螺仪在Z轴上的加速度。所述Z轴检测质量8可以沿第一方向或第二方向对称设置。优选地，在所述第一检测质量1与第二检测质量2沿第二方向对称设置时，所述Z轴检测质量沿所述第一方向对称设置，以减少检测质量占用的空间，从而进一步缩小陀螺仪的体积。

所述Z轴检测质量8具有活动电极，所述陀螺仪的基板5上设置固定电极，所述活动电极与所述固定电极相对设置，形成梳齿状电容9，用于检测Z轴加速度。当陀螺仪具有沿Z轴方向的加速度时，所述梳齿状电容9的活动电极与固定电极的相对位置发生变化，从而可根据梳齿状电容9的电容的变化检测陀螺仪Z轴加速度。

进一步，为了使得所述检测质量既能够灵活地绕第一方向转动又能够灵活地绕第二方向转动，且彼此不互相影响，在本发明第二具体实施方式中，优化了第一检测质量1及第二检测质量2的结构，所述第一检测质量1与所述第二检测质量2的结构相同，在此以第一检测质量1的结构为例进行描述。

参见图2及图3，在本发明第二具体实施方式中，所述第一检测质量1包括锚点20、第一质量块21、第二质量块22和第三质量块23。所述锚点20设置在所述第一质量块11内，并固定在一外部基板（附图中未标示）上。在本具体实施方式中，所述第一质量块11为内部中空的框体，所述锚点20设置在框体内部。所述锚点20固定在所述外部基板上，不能旋转和移动。所述第一质量块21设置在第二质量块22内，并通过在第一方向对称的第一弹性梁24悬挂在所述锚点20上。所述第二质量块22为内部中空的框体，所述第一质量块21悬挂设置在框体内部。所述第二质量块22设置在第三质量块23内，并通过在第二方向对称的第二弹性梁25悬挂在第一质量块11上。所述第三质量块23为内部中空的框体，所述第二质量块22悬挂设置在框体内部。所述第三质量块23通过在第一方向对称的第三弹性梁26悬挂在第二质量块22上，并通过在第二方向对称的第四弹性梁27与外部驱动质量块（附图中未标示）连接。

所述锚点20不能旋转，所述第一质量块21受所述第一弹性梁24的制约，使得所述第一质量块21仅具有第一方向的转动轴，即所述第一质量块21可绕所述第一方向旋转。所述第三质量块23在第二方向对称的第四弹性梁27与外部驱动质量块连接，所述第三质量块23受所述第四弹性梁27的制约，使得所述第三质量块23仅具有第二方向的转动轴，即所述第三质量块23可绕所述第二方向旋转。所述第二质量块22通过第二方向对称的第二弹性梁25悬挂在第一质量块21，所述第三质量块23通过在第一方向对称的第三弹性梁26悬挂在第二质量块22上，同时，所述第一质量块21具有第一方向的转动轴，所述第三质量块23具有第二方向的转动轴，所以，所述第二质量块22具有第一方向和第二方向的转动轴。

进一步，为了缩小所述陀螺仪的体积，在第二具体实施方式的基础上，在本发明第三具体实施方式中，进一步优化了第一检测质量1及第二检测质量2的结构，所述第一检测质量1与所述第二检测质量2的结构相同，在此以第一检测质量1的结构为例进行描述。

参见图4，所述第一质量块21与所述第一弹性梁24对应的位置设置有第一凹陷30，所述第一凹陷30用于容纳所述第一弹性梁24。所述第二质量块22与所述第二弹性梁25对应的位置设置有第二凹陷31，所述第二凹陷31用于容纳所述第二弹性梁25。所述第二质量块22与所述第三弹性梁26对应的位置设置有第三凹陷32，所述第三凹陷32用于容纳所述第三弹性梁26。所述第三质量块23与所述第四弹性梁27对应的位置设置有第四凹陷33，所述第四凹陷33用于容纳所述第四弹性梁27。

所述第一弹性梁24、第二弹性梁25、第三弹性梁26和第四弹性梁27分别设置在第一凹陷30、第二凹陷31、第三凹陷32及第四凹陷33中，使得第一弹性梁24、第二弹性梁25、第三弹性梁26和第四弹性梁27分别与所述第一质量块21、第二质量块22和第三质量块23有部分重叠，减小了所述第一弹性梁24、第二弹性梁25、第三弹性梁26和第四弹性梁27占用的空间，从而能够进一步减小所述第一检测质量1的尺寸，缩小所述陀螺仪的体积，实现陀螺仪的小型化。

下面根据本发明抗干扰的陀螺仪的第三具体实施方式来进一步描述本发明抗干扰陀螺仪的运动状态。

参见图5，在陀螺仪受到绕第二方向（X方向）的角速度时，此时陀螺仪在驱动质量的作用下在面内做相反方向的振动，则第一检测质量1和第二检测质量2受到相反方向的绕第一方向（Y方向）的科里奥利力力矩，第一检测质量1和第二检测质量2分别在各自受到的科里奥利力力矩的作用下绕第一方向（Y方向）的转轴做相反方向的运动。

参见图6，在陀螺仪受到绕第一方向（Y方向）的角速度时，此时陀螺仪在驱动质量的作用下在面内做相反方向的振动，则第一检测质量1和第二检测质量2受到相反方向的绕第二方向（X方向）的科里奥利力力矩，第一检测质量1和第二检测质量2分别在各自受到的科里奥利力力矩的作用下绕第二方向（X方向）的转轴做相反方向的运动。

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，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 (9)

1.一种抗干扰的陀螺仪，其特征在于，包括第一检测质量、第二检测质量和驱动质量；所述驱动质量分别与所述第一检测质量及第二检测质量连接，以驱动所述第一检测质量及第二检测质量反向振动；所述第一检测质量及第二检测质量均具有第一方向的转轴和第二方向的转轴；在所述陀螺仪具有绕第一方向的角速度的情况下，所述第一检测质量与所述第二检测质量绕第二方向转轴反向转动，以检测所述陀螺仪绕第一方向的角速度；在所述陀螺仪具有绕第二方向的角速度的情况下，所述第一检测质量与所述第二检测质量绕第一方向转轴反向转动，以检测所述陀螺仪绕第二方向的角速度；所述第一方向与所述第二方向垂直，第一检测质量的检测信号与所述第二检测质量的检测信号之和作为陀螺仪的角速度检测的输出信号。

2.根据权利要求1所述的抗干扰的陀螺仪，其特征在于，所述第一检测质量包括锚点、第一质量块、第二质量块和第三质量块；所述锚点设置在所述第一质量块内，并固定在陀螺仪的一基板上；所述第一质量块设置在第二质量块内，并通过在第一方向对称的第一弹性梁悬挂在所述锚点上；所述第二质量块设置在第三质量块内，并通过在第二方向对称的第二弹性梁悬挂在所述第一质量块上；所述第三质量块通过在第一方向对称的第三弹性梁悬挂在第二质量块上，并通过在第二方向对称的第四弹性梁与所述驱动质量连接；所述第一质量块具有第一方向的转轴，所述第二质量块具有第一方向和第二方向的转轴，所述第三质量块具有第二方向的转轴；所述第二检测质量的结构与所述第一检测质量的结构相同。

3.根据权利要求2所述的抗干扰的陀螺仪，其特征在于，所述第一质量块与所述第一弹性梁对应的位置设置有第一凹陷，所述第一凹陷用于容纳所述第一弹性梁；所述第二质量块与所述第二弹性梁对应的位置设置有第二凹陷，所述第二凹陷用于容纳所述第二弹性梁；所述第二质量块与所述第三弹性梁对应的位置设置有第三凹陷，所述第三凹陷用于容纳所述第三弹性梁；所述第三质量块与所述第四弹性梁对应的位置设置有第四凹陷，所述第四凹陷用于容纳所述第四弹性梁；所述第三质量块在所述第四凹陷对应位置具有一凸起，所述第二质量块在与所述凸起对应的位置具有一容纳部，所述凸起伸入所述容纳部。

4.根据权利要求1所述的抗干扰的陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪进一步还包括一基板，在所述基板上与所述第一检测质量及第二检测质量对应位置分别设置有第一检测电极和第二检测电极，所述第一检测电极与所述第二检测电极排布方式相同。

5.根据权利要求1所述的抗干扰的陀螺仪，其特征在于，所述第一检测质量和第二检测质量沿第二方向对称设置。

6.根据权利要求1所述的抗干扰的陀螺仪，其特征在于，还包括一Z轴检测质量，用于检测陀螺仪在Z轴上的加速度。

7.根据权利要求6所述的抗干扰的陀螺仪，其特征在于，所述Z轴检测质量沿所述第一方向对称设置。

8.根据权利要求6所述的抗干扰的陀螺仪，其特征在于，所述Z轴检测质量具有活动电极，所述陀螺仪的基板上设置固定电极，所述活动电极与所述固定电极形成梳齿状电容，用于检测Z轴加速度。

9.根据权利要求1所述的抗干扰的陀螺仪，其特征在于，所述驱动质量包括上驱动质量和下驱动质量，所述上驱动质量与所述下驱动质量运动方向相反，以带动所述第一检测质量及第二检测质量顺时针或逆时针运动。