CN109211216B - 带过载保护机构的微机电陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带过载保护机构的微机电陀螺仪，包括：陀螺仪本体，设有限位槽；控制块，设有与所述限位槽适配的限位闩；所述陀螺仪本体处于工作状态时，所述限位闩与限位槽无交叠；所述陀螺仪本体处于非工作状态时，所述限位闩与限位槽存在交叠；所述限位闩与限位槽存在交叠时，限位闩与限位槽的侧壁之间存在间隙。本发明中，陀螺仪非工作状态时控制块上的限位闩和驱动质量上的限位槽有一定的交叠长度，在陀螺仪承受第一轴线过载时，驱动质量的运动幅度会受到限位闩的限制，限制值可以配置为显著小于驱动位移的数值，从而达到提高抗过载能力的目的。

Description

带过载保护机构的微机电陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机电陀螺仪技术领域，特别是涉及一种带过载保护机构的微机电陀螺仪。

背景技术

MEMS陀螺仪通常为振动陀螺仪，其工作原理基于科里奥利效应。当存在输入角速度时，检测质量会根据驱动质量的运动速度产生一定的位移，并通过一定的转换方式将信号读出。因此，可以通过增加驱动质量位移（也就是增加驱动速度）的方式提高陀螺仪的性能。

陀螺仪在非工作的情况下可能发生跌落等形式的过载，尤其是智能弹药等开始工作前必定会发生一次大幅度冲击的应用场景。

在不改变信号处理电路和加工工艺的情况下，增加驱动质量位移需要降低驱动弹簧的强度或者提高驱动质量块的质量（二者的目的都是降低驱动方向的谐振频率）。

在驱动方向没有位移限制结构时，上述两种方式最终都会导致在过载时驱动弹簧的应力增大，从而发生断裂；在驱动方向有位移限制结构时，由于较大的驱动质量位移需要更大的运动空间，造成结构之间二次冲击问题更为严重，这也会降低器件的抗过载能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带过载保护机构的微机电陀螺仪，通过控制块对陀螺仪本体进行限位，实现陀螺仪非工作状态下的高抗过载能力和工作状态下的大驱动位移。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：带过载保护机构的微机电陀螺仪，包括：

陀螺仪本体，设有限位槽；

控制块，设有与所述限位槽适配的限位闩；

所述陀螺仪本体处于工作状态时，所述限位闩与限位槽无交叠；所述陀螺仪本体处于非工作状态时，所述限位闩与限位槽存在交叠；

所述限位闩与限位槽存在交叠时，限位闩与限位槽的侧壁之间存在间隙。

优选的，所述陀螺仪本体包括：

驱动质量，设有限位槽；

陀螺仪锚点，经驱动弹簧与驱动质量连接；

第一梳齿静电驱动器，用于驱动所述驱动质量沿第一轴线正向运动；

第二梳齿静电驱动器，用于驱动所述驱动质量沿第一轴线反向运动；

检测质量，经检测弹簧与驱动质量连接。

优选的，所述检测质量上设有两组检测电容，所述检测质量在哥氏力作用下沿与第一轴线垂直的第二轴线运动时，一组检测电容的电容值增加，另一组检测电容的电容值减小。

优选的，所述陀螺仪本体还包括：驱动检测电极，用于检测驱动质量的运动状态。

优选的，所述控制块包括：

卡座；

控制块质量，位于驱动质量和卡座之间，所述控制块质量上设有限位闩、以及与所述卡座适配的卡扣；

控制块锚点，经控制块弹簧与控制块质量连接。

优选的，所述控制块包括：

卡座；

绞支点；

控制块质量，设有与所述卡座适配的卡扣；

连杆，其第一端与控制块质量连接，第二端设有限位闩，所述连杆可转动地安装在绞支点上，以调整限位闩和限位槽之间的相对位置；

控制块锚点，经控制块弹簧与控制块质量连接。

优选的，所述控制块弹簧为折叠梁结构，和/或，位于控制块质量同一侧的两个控制块弹簧之间设有弹簧连杆。

优选的，所述控制块包括：

控制块质量，设有限位闩；

静电驱动器，用于驱动控制块质量移动；

控制块限位块，用于限制控制块质量的移动距离；

控制块锚点，经控制块弹簧与控制块质量连接。

优选的，所述控制块包括：

连杆，其第一端设有限位闩；

第一形变杆，其第一端连接有第一控制块锚点，第二端连接在连杆上；

第二形变杆，其第一端连接有第二控制块锚点，第二端连接在连杆上；

所述第一形变杆与第二形变杆不共线。

优选的，所述微机电陀螺仪包括至少一个控制块，所述驱动质量上的至少一侧设有限位槽，所述控制块与限位槽一一对应配合。

本发明的有益效果是：

（1）本发明中，陀螺仪非工作状态时控制块上的限位闩和驱动质量上的限位槽有一定的

交叠长度，在陀螺仪承受第一轴线过载时，驱动质量的运动幅度会受到限位闩的限制，限制值可以配置为显著小于驱动位移的数值，从而达到提高抗过载能力的目的；

（2）驱动检测电极用于检测驱动质量的运动状态，可以实现驱动质量的闭环振动；

（3）检测质量在哥氏力作用下沿第二轴线运动时，一组检测电容的电容值增加，另一组检测电容的电容值减小，形成差分电容检测，可以提供一定的共模抑制能力；

（4）控制块质量同一侧的两个控制块弹簧之间设有弹簧连杆，可以提高控制弹簧在第一轴线的刚度，同时不会影响其在第二轴线的刚度。

附图说明

图1为本发明中陀螺仪的一种实施例的结构示意图；

图2为本发明中控制块的一种实施例的结构示意图；

图3为本发明中两个控制块弹簧之间设置弹簧连杆的结构示意图；

图4为本发明中控制块的又一种实施例的结构示意图；

图5为本发明中控制块的又一种实施例的结构示意图；

图6为本发明中驱动质量四周设置有控制块时的结构示意图；

图7为本发明中控制块的又一种实施例的结构示意图；

图中，1—驱动质量，11—限位槽，12—陀螺仪锚点，13—第一梳齿静电驱动器，131—驱动电极，132—驱动定齿，133—驱动动齿，14—第二梳齿静电驱动器，15—驱动弹簧，16—驱动检测电极，161—电极本体，162—驱动检测定齿，163—驱动检测动齿，2—检测质量，21—检测弹簧，22—检测电极，23—检测定齿，24—检测动齿，3—控制块，31—控制块质量，311—限位闩，312—卡扣，313—控制块锚点，314—控制块弹簧，315—弹簧连杆，32—卡座，33—连杆，34—绞支点，341—形变杆锚点，342—绞支点弹簧，35—静电驱动器，351—控制块电极，352—控制块动齿，353—控制块定齿，36—控制块限位块，37—第一形变杆，38—第二形变杆。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-7，本实施例提供了一种带过载保护机构的微机电陀螺仪：

实施例一

如图1所示，带过载保护机构的微机电陀螺仪，包括陀螺仪本体和控制块3，所述陀螺

仪本体上设有限位槽11，所述控制块3上设有与所述限位槽11适配的限位闩311；所述陀螺仪本体处于工作状态时，所述限位闩311与限位槽11无交叠（即限位闩311与限位槽11分离，限位闩311位于限位槽11外）；所述陀螺仪本体处于非工作状态时，所述限位闩311与限位槽11存在交叠（即限位闩311有一部分结构位于限位槽11内）；所述限位闩311与限位槽11存在交叠时，限位闩311与限位槽11的侧壁之间存在间隙。

由于陀螺仪本体处于非工作状态时，控制块3上的限位闩311与陀螺仪本体上的限位槽11存在一定长度的交叠，因此，在承受沿第一轴线（y轴）的过载时，陀螺仪本体的运动幅度会受到限位闩311的限制，限位闩311初始位于限位槽11中心时，限制值为限位槽11和限位闩311的宽度差的一半。若该限制值配置为小于驱动位移的数值时，可以有效提高抗过载能力。

实施例二

在实施例一方案的基础上，本实施例还包括：如图1所示，所述陀螺仪本体包括驱动质量1、陀螺仪锚点12、第一梳齿静电驱动器13、第二梳齿静电驱动器14、检测质量2、驱动弹簧15和检测弹簧21，所述驱动质量1上设有限位槽11，所述陀螺仪锚点12经驱动弹簧14与驱动质量1连接，所述第一梳齿静电驱动器13用于驱动所述驱动质量1沿第一轴线（y轴）正向运动，所述第二梳齿静电驱动器14用于驱动所述驱动质量1沿第一轴线（y轴）反向运动，所述检测质量2经检测弹簧21与驱动质量1连接。

在图1中，驱动质量1的第一侧设有两个陀螺仪锚点12，驱动质量1的第二侧设有两个陀螺仪锚点12，第一侧和第二侧为相对的两侧。

所述第一梳齿静电驱动器13和第二梳齿静电驱动器14的结构相同，以实现第一梳齿静电驱动器13为例，其包括驱动电极131、设于驱动电极131上的驱动定齿132和设于驱动质量1上的驱动动齿133，所述驱动定齿132和驱动动齿133相配合。

优选的，所述陀螺仪本体还包括驱动检测电极16，用于检测驱动质量1的运动状态，从而可以实现驱动质量1的闭环振动。所述驱动检测电极16包括电极本体161、设于电极本体161上的驱动检测定齿162和设于驱动质量1上的驱动检测动齿163，所述驱动检测定齿162和驱动检测动齿163相配合。

优选的，所述检测质量2上设有两组检测电容，所述检测质量2在哥氏力作用下沿与第一轴线垂直的第二轴线（x轴）运动时，一组检测电容的电容值增加，另一组检测电容的电容值减小，从而形成差分电容检测，可以提供一定的共模抑制能力。每组检测电容包括检测电极22、设于检测电极22上的检测定齿23和设于检测质量2上的检测动齿24，所述检测定齿23和检测动齿24相配合。

实施例三

在实施例一方案的基础上，本实施还包括：如图2所示，所述控制块3包括控制块质量31、卡座32、控制块锚点313和控制块弹簧314，所述控制块质量31位于驱动质量1和卡座32之间，所述控制块质量31上设有限位闩311、以及与所述卡座32适配的卡扣312，所述控制块锚点313经控制块弹簧314与控制块质量31连接。

所述控制块质量31通过控制块弹簧314与控制块锚点313相连，使得控制块3与陀螺仪本体在非工作状态时保持相对静止。

陀螺仪本体处于非工作状态时，限位闩311的一部分结构位于限位槽11内（即限位闩311与限位槽11存在交叠），在承受沿第一轴线（y轴）的过载时，陀螺仪本体的运动幅度会受到限位闩311的限制。在弹药等使用时必定会受到一次大幅度冲击的场景中，陀螺仪受到第二轴线（x轴）正方向的冲击，控制块质量31由于惯性向x轴正方向运动，而陀螺仪本体由于弹簧配置方式的原因位移非常小。当控制块质量31的运动幅度足够大时，卡扣312进入卡座32并被固定，此时控制块弹簧314将始终保持形变，使得限位闩311离开限位槽11（即限位闩311与限位槽11之间无交叠），释放驱动质量1的运动空间，使得陀螺仪本体可以开始正常工作。

优选的，所述控制块弹簧314为折叠梁结构。为了进一步改善控制块3的性能，如图3所示，控制块质量31的第一侧设有两个控制块锚点313，在这两个控制块锚点313对应的控制块弹簧314之间设有弹簧连杆315，从而可以显著提高控制块弹簧314在第一轴线（y轴）的刚度，且不会影响其在第二轴线（x轴）的刚度。

实施例四

在实施例一方案的基础上，本实施例还包括：如图4所示，所述控制块3包括控制块质量313、卡座32、连杆33、绞支点34、控制块锚点313和控制块弹簧314，所述控制块质量1上设有与所述卡座32适配的卡扣312，所述连杆33的第一端与控制块质量31连接，所述连杆33的第二端设有限位闩311，所述连杆33围绕绞支点34转动，以调整限位闩311和限位槽11之间的相对位置，所述控制块锚点313经控制块弹簧314与控制块质量31连接。

陀螺仪受到第二轴线（x轴）负方向的冲击，控制块质量31由于惯性向x轴负方向运动，陀螺仪本体由于弹簧配置方式的原因位移非常小。当控制块质量31的运动幅度足够大时，卡扣312进入卡座32并被固定，此时控制块弹簧314将始终保持形变，连杆33绕绞支点34转动，使得限位闩311离开限位槽11（即限位闩311与限位槽11之间无交叠），释放驱动质量1的运动空间，使得陀螺仪本体可以开始正常工作。

所述连杆33可以采用L型结构，所述绞支点34可以由形变杆锚点341和绞支点弹簧342形成。

优选的，将连杆33位于绞支点34和控制块质量31之间的杆体长度设置为小于绞支点34和限位闩311之间的杆体长度（即图4中，连杆33位于绞支点34上方的竖直长度小于连杆33位于绞支点34下方的竖直长度），从而可以实现对控制块3位移的放大作用，使得所需要的控制块质量31（也就是面积）减小。

实施例五

在实施例一方案的基础上，本实施例还包括：如图5所示，所述控制块3包括控制块质量31、静电驱动器35、控制块限位块36、控制块锚点313和控制块弹簧314，所述控制块质量31设有限位闩311，所述静电驱动器35用于驱动控制块质量31移动，所述控制块限位块36用于限制控制块质量31的移动距离，所述控制块锚点313经控制块弹簧314与控制块质量31连接。

所述控制块3包括两个静电驱动器35，所述静电驱动器35包括控制块电极351、设于控制块电极351上的控制块动齿352和设于控制块质量31上的控制块定齿353，所述控制块动齿352和控制块定齿353相配合，两个静电驱动器35的控制块电极351连接同一电位。

所述控制块质量31到控制块限位块36的距离小于控制块定齿353和控制块动齿352之间的距离，且所述控制块质量31到控制块限位块36的距离大于限位槽11和限位闩311的交叠长度，避免了控制块定齿353与控制块动齿3532之间相互接触而引起短路，以及确保限位闩311可以完全脱离限位槽11。

陀螺仪上电后，在控制块锚点313与控制块电极351之间施加直流电压，上述静电驱动器35对控制块3施加沿x轴正方向的力，使得限位闩311离开限位槽11，陀螺仪达到正常工作状态。

优选的，所述微机电陀螺仪包括至少一个控制块3，所述驱动质量1上的至少一侧设有限位槽11，所述控制块3与限位槽11一一对应配合，即可以在驱动质量1的多个方向上设置控制块3，提高了过载保护能力和使用的灵活性。如图6所示，驱动质量1的四周都设有控制块3。

实施例六

在实施例一方案的基础上，本实施例还包括：如图7所示，所述控制块3包括连杆33、第一形变杆37、第二形变杆38和形变杆锚点341，所述连杆33的第一端设有限位闩311，所述第一形变杆37的第一端连接有一个形变杆锚点341，所述第一形变杆37的第二端连接在连杆33上，所述第二形变杆38的第一端连接有一个形变杆锚点341，所述第二形变杆38的第二端连接在连杆33上，所述第一形变杆37和第二形变杆38不共线。

陀螺仪上电工作时，在两个形变杆锚点341之间施加一定的直流电压，该电压在第一形变杆37和第二形变杆38形成的等效电阻上产生焦耳热，使第一形变杆37和第二形变杆38发生形变，形变量与电压值、形变杆的电阻值和长度相关。由于第一形变杆37和第二形变杆38不共线，因此可以形成一个绞支点34，该绞支点34为第一形变杆37和第二形变杆38与连杆33的交点的中点。

优选的，连杆33上绞支点34到第一形变杆37/第二形变杆38的杆体长度小于绞支点34到限位闩311的杆体长度，从而可以在较小的空间内实现本发明的功能，减小陀螺仪的体积。

图7中，所述连杆33采用L型结构，第一形变杆37和第二形变杆38与连杆33的竖向杆体连接，限位闩311设置在连杆33的横向杆体上。

优选的，所述微机电陀螺仪包括至少一个控制块3，所述驱动质量1上的至少一侧设有限位槽11，所述控制块3与限位槽11一一对应配合，即可以在驱动质量1的多个方向上设置控制块3，提高了过载保护能力和使用的灵活性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.带过载保护机构的微机电陀螺仪，其特征在于，包括：

陀螺仪本体，所述陀螺仪本体包括驱动质量（1），设有限位槽（11）；陀螺仪锚点（12），经驱动弹簧（15）与驱动质量（1）连接；第一梳齿静电驱动器（13），用于驱动所述驱动质量（1）沿第一轴线正向运动；第二梳齿静电驱动器（14），用于驱动所述驱动质量（1）沿第一轴线反向运动；检测质量（2），经检测弹簧（21）与驱动质量（1）连接；驱动检测电极（16），用于检测驱动质量（1）的运动状态，从而实现驱动质量（1）的闭环振动；

控制块（3），设有与所述限位槽（11）适配的限位闩（311）；

所述陀螺仪本体处于工作状态时，所述限位闩（311）与限位槽（11）无交叠；所述陀螺

仪本体处于非工作状态时，所述限位闩（311）与限位槽（11）存在交叠；

所述限位闩（311）与限位槽（11）存在交叠时，限位闩（311）与限位槽（11）的侧壁

之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的带过载保护机构的微机电陀螺仪，其特征在于，所述检测质量（2）上设有两组检测电容，所述检测质量（2）在哥氏力作用下沿与第一轴线垂直的第二轴线运动时，一组检测电容的电容值增加，另一组检测电容的电容值减小。

3.根据权利要求1所述的带过载保护机构的微机电陀螺仪，其特征在于，所述控制块（3）包括：

卡座（32）；

控制块质量（31），位于驱动质量（1）和卡座（32）之间，所述控制块质量（31）上设有限位闩（311）、以及与所述卡座（32）适配的卡扣（312）；

控制块锚点（313），经控制块弹簧（314）与控制块质量（31）连接。

4.根据权利要求1所述的带过载保护机构的微机电陀螺仪，其特征在于，所述控制块（3）包括：

卡座（32）；

绞支点（34）；

控制块质量（31），设有与所述卡座（32）适配的卡扣（312）；

连杆（33），其第一端与控制块质量（31）连接，第二端设有限位闩（311），所述连杆（33）可转动地安装在绞支点（34）上，以调整限位闩（311）和限位槽（11）之间的相对位置；

控制块锚点（313），经控制块弹簧（314）与控制块质量（31）连接。

5.根据权利要求3或4所述的带过载保护机构的微机电陀螺仪，其特征在于，所述控制块弹簧（314）为折叠梁结构，和/或，位于控制块质量（31）同一侧的两个控制块弹簧（314）之间设有弹簧连杆（315）。

6.根据权利要求1所述的带过载保护机构的微机电陀螺仪，其特征在于，所述控制块（3）包括：

控制块质量（31），设有限位闩（311）；

静电驱动器（35），用于驱动控制块质量（31）移动；

控制块限位块（36），用于限制控制块质量（31）的移动距离；

控制块锚点（313），经控制块弹簧（314）与控制块质量（31）连接。

7.根据权利要求1所述的带过载保护机构的微机电陀螺仪，其特征在于，所述控制块（3）包括：

连杆（33），其第一端设有限位闩（311）；

第一形变杆（37），其第一端连接有一形变杆锚点（341），第二端连接在连杆（33）上；

第二形变杆（38），其第一端连接有一形变杆锚点（341），第二端连接在连杆（33）上；

所述第一形变杆（37）与第二形变杆（38）不共线。

8.根据权利要求6或7所述的带过载保护机构的微机电陀螺仪，其特征在于，所述微机电陀螺仪包括至少一个控制块（3），所述驱动质量（1）上的至少一侧设有限位槽（11），所述控制块（3）与限位槽（11）一一对应配合。

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