CN110887467B - 高精度陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度陀螺仪，包括呈矩形结构的基座、设置于基座顶面的传感单元，以及位于与传感单元相同层面的多个锚块，多个锚块环绕传感单元间隔设置，所述锚块通过绝缘层将传感单元固定于基座上；传感单元包括：质量块、分别环设于所述质量块的四周侧的移动质量块、将所述质量块和所述移动质量块形成弹性连接的第一弹簧梁、环设于质量块且位于移动质量块远离质量块一侧的移动质量块框架、与移动质量块框架的连接的梳齿和移动梳齿形成电容的固定梳齿，以及连接移动质量块和所述移动质量块框架的第二弹簧梁，且所述第二弹簧梁延伸至与所述锚块形成固定。与相关技术相比，本发明的高精度陀螺仪频率带宽大、品质因素Q值高且精度更高。

Description

高精度陀螺仪

【技术领域】

本发明涉及一种传感器装置，尤其涉及一种运用于便携式电子产品的高精度陀螺仪。

【背景技术】

随着电子技术的发展，陀螺仪被普遍运用到各种便携式电子设备比如手机、IPAD等，用于检测物理量偏转，倾斜时的转动角速度，用以实现3D动作，得到消费者的青睐。

相关技术的陀螺仪包括基底、设置于基底上的呈矩阵排列的四个传感单元以及位于与所述传感单元相同层面的锚块，所述锚块将传感单元通过绝缘层固定于所述基底。所述传感单元包括呈矩形的质量块、环绕所述质量块且与分别其四边平行且间隔设置的呈矩形且中空的四个移动质量块框架、由所述移动质量块框架向内延伸的移动梳齿、固定于所述基座并位于所述移动质量块框架内的固定梳齿，所述移动梳齿与所述固定梳齿交错设置形成电容结构；所述质量块与所述移动质量块框架通过第一弹簧梁连接，所述移动质量块框架通过第二弹簧梁与所述锚块固定连接。移动梳齿位置变化使得其与固定梳齿之间的电容发生变化，实现检测。

质量块与移动质量块框架之间的弹簧梁结构决定了陀螺仪的共振频率性质，而相关技术的陀螺仪中，由于第一弹簧梁的存在，第二弹弹簧梁为避让第一弹簧梁，其结构的长度受质量块的边长限制，一般小于三分之一边长，从而限制相关技术的陀螺仪频率的设计的灵活性和带宽，并因弹簧梁结构限制使得其受外力冲地影响而存在品质因素Q值不佳的缺陷。

因此，有必要提供一种改进的高精度陀螺仪来解决上述问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种频率带宽大、品质因素Q值高且精度更高的高精度陀螺仪。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度陀螺仪，包括呈矩形结构的基座、设置于所述基座顶面的传感单元，以及位于与所述传感单元相同层面的多个锚块，多个锚块环绕所述传感单元间隔设置，所述锚块通过绝缘层将所述传感单元固定于所述基座上；所述传感单元包括：

质量块，所述质量块呈矩形结构，包括沿第一方向相对且间隔设置的两个第一侧壁和沿第二方向相对且间隔设置的两个第二侧壁，所述质量块叠设支撑于所述基座；所述第一方向与所述第二方向相互垂直且围成的平面与所述基座平行；

移动质量块，所述移动质量块包括四个并分别环设于所述质量块的四周侧，四个所述移动质量块分别平行于两个第一侧壁及两个第二侧壁并与所述质量块间隔设置；

第一弹簧梁，所述第一弹簧梁将所述质量块和所述移动质量块形成弹性连接；

移动质量块框架，所述移动质量块框架包括沿所述第一方向相对且间隔设置的两个第一移动质量块框架和沿所述第二方向相对且间隔设置的两个第二移动质量块框架；两个所述第一移动质量块框架和两个第二移动质量块框架环设于所述质量块的四周侧，且均位于所述移动质量块的远离所述质量块的一侧；所述第一移动质量块框架包括第一框架本体和具有多个第一移动梳齿的第一移动梳齿部，多个所述第一移动梳齿由所述第一框架本体相对设置的两长轴边分别沿第二方向向其内部延伸；所述第二移动质量块框架包括第二框架本体和具有多个第二移动梳齿的第二移动梳齿部，多个所述第二移动梳齿由所述第二框架本体相对设置的两长轴边分别沿第一方向向其内部延伸；

固定梳齿，所述固定梳齿包括分别固定于所述基座的两个第一固定梳齿部和两个第二固定梳齿部，两个所述第一固定梳齿部分别与两个所述第一移动梳齿部匹配，两个第二固定梳齿部分别与两个所述第二移动梳齿部匹配；所述第一固定梳齿部具有多个第一固定梳齿，且分别和与其匹配的所述第一移动梳齿部的多个第一移动梳齿相互交错插设并相互间隔，形成第一电容；所述第二固定梳齿部具有多个第二固定梳齿，且分别和与其匹配的所述第二移动梳齿部的多个第二移动梳齿相互交错插设并相互间隔，形成第二电容；以及

第二弹簧梁，所述第二弹簧梁包括多个且分别位于相对设置的所述移动质量块和所述移动质量块框架之间，并将二者形成弹性连接，且所述第二弹簧梁延伸至与所述锚块形成固定。

优选的，所述传感单元还包括位于相对设置的所述移动质量块和所述移动质量块框架之间的连接部，所述连接部将二者形成刚性连接。

优选的，位于相对设置的所述移动质量块与所述第一移动质量块框架之间，或位于相对设置的所述移动质量块与所述第二移动质量块框架之间的所述第二弹簧梁均包括两个，两个第二弹簧梁间隔相对设置，且沿平行于与其对应的所述移动质量块的方向延伸，对应设置的所述连接部位于两个所述第二弹簧梁之间且相互间隔；每一所述传感单元配置四个所述锚块，且四个所述锚块分别位于所述质量块的四个角的位置。

优选的，所述连接部呈矩形结构或栅栏状。

优选的，所述质量块还包括由所述第一侧壁沿所述第二方向向其内部凹陷的第一让位槽，以及由所述第二侧壁沿所述第一方向向其内部凹陷的第二让位槽；多个所述第一弹簧梁分别延伸至与其对应的所述第一让位槽内或所述第二让位槽内。

优选的，每一所述第一侧壁设有两个相互间隔的所述第一让位槽，每一所述第二侧壁设有两个相互间隔的所述第二让位槽；每一所述移动质量块与所述质量块之间设有两个所述第一弹簧梁。

优选的，所述传感单元包括至少四个且呈矩阵排列；所述高精度陀螺仪还包括第三弹簧梁，所述第三弹簧梁包括多个且分别位于相邻两个传感单元之间，并将相邻的两个所述传感单元的两个所述移动质量块框架形成弹性连接。

优选的，位于相邻的两个所述传感单元的两个所述移动质量块框架之间的所述第三弹簧梁平行于该两个移动质量块框架设置。

优选的，所述高精度陀螺仪还包括固定于所述基座的多个横梁，所述横梁间隔设置于四个所述传感单元形成的矩阵外周，相邻的两个所述传感单元同时与同一个所述横梁固定连接。

优选的，所述横梁连接于所述移动质量块框架的远离所述质量块的一侧。

与相关技术相比，本发明高精度陀螺仪中，通过在所述质量块与所述移动质量块框架之间增加设置了所述移动质量块，通过第一弹簧梁将质量块与移动质量块连接，通过第二弹簧梁将移动质量块与移动质量块框架连接，且第二弹簧梁延伸至锚块并通过锚块固定于基座。移动质量块的增加使得第一弹簧梁和第二弹簧梁的设计相互不会形成干涉，有效的提高了第一弹簧梁和第二弹簧梁的设计灵活度，实现根据频率要求进行结构设计调整，从而使得频率带宽增大；而且通过移动质量块的延长，可调整传感单元在第一方向与第二方向(即X，Y方向)的匹配度，使得X-Y轴由于工艺问题造成的失配更容易补偿，从而有效提高品质因素Q值；第一弹簧梁和第二弹簧梁因质量块的设置后实现了灵活设计，提高了可靠性，并使该高精度陀螺仪的精度及性能更优，另外，移动质量块的设计可以延缓不必要的震动带来的第一弹簧梁及第一弹簧梁可靠性不足，且可使第一弹簧梁及第一弹簧梁有足够的强度，从而在确定频率的基础上，增加频率带宽，增强连接的支撑力度。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明高精度陀螺仪的立体结构示意图；

图2为本发明高精度陀螺仪的俯视图；

图3为图2中A所示部分的放大图，其示为其中一个传感单元；

图4为本发明高精度陀螺仪的运动状态效果示意图，其中图(a)为驱动模态，图(b)为感测模态。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请同时参阅图1-3，本发明提供了一种高精度陀螺仪100，包括基座1、传感单元2、锚块3以及横梁4。

传感单元2设置于所述基座1顶面，锚块3包括多个且位于与传感单元2同层面，多个锚块3环绕所述传感单元2间隔设置，锚块3通过绝缘层将所述传感单元2固定于所述基座1上。

本实施方式中，为了方便说明，建立X-Y轴二维坐标系，定义第一方向为X轴方向、第二方向为Y轴方向，所述第一方向及所述第二方向相互垂直。

所述基座1呈矩形。

所述传感单元2包括多个且呈矩阵分布，本实施方式中，以传感单元2包括四个并形成矩阵排布为例进行说明，当然不限于该数量。即，本实施方式中，所述传感单元2包括至少四个且呈矩阵排列。

具体的，传感单元2包括质量块21、移动质量块22、第一弹簧梁23、移动质量块框架24、固定梳齿25、第二弹簧梁26以及连接部27。

所述质量块21呈矩形结构，其叠设支撑于所述基座1。质量块21包括沿第一方向相对且间隔设置的两个第一侧壁211、沿第二方向相对且间隔设置的两个第二侧壁212、由所述第一侧壁211沿所述第二方向向其内部凹陷的第一让位槽213，以及由所述第二侧壁212沿所述第一方向向其内部凹陷的第二让位槽214。所述第一方向与所述第二方向相互垂直且围成的平面与所述基座1平行。

更优的，每一所述第一侧壁211设有两个相互间隔的所述第一让位槽213，每一所述第二侧壁213设有两个相互间隔的所述第二让位槽214。

所述移动质量块22包括四个并分别环设于所述质量块21的四周侧，四个所述移动质量块22分别平行于两个第一侧壁211及两个第二侧壁212并与所述质量块21间隔设置。所述移动质量块22的增加提高了科里奥利力，进而增强整体传感性能。

所述第一弹簧梁23包括多个，第一弹簧梁23将所述质量块21和所述移动质量块22形成弹性连接。更优的，多个所述第一弹簧梁23分别延伸至与其对应的所述第一让位槽213内或所述第二让位槽214内，从而将所述质量块21与移动质量块22连接。

第一让位槽213和第二让位槽214的设置可使得第一弹簧梁23设计长度更长，提高其设计灵活性。每一第一侧壁211设两个第一让位槽213，每一第二侧壁设第二让位槽214，则对应的每一所述移动质量块22与所述质量块21之间均设有两个第一弹簧梁23，也就是说，将每个移动质量块22分别连接至第一侧壁211或第二侧壁212的第一弹簧梁23均设置两个，该结构设计加强了连接强度，提高了连接时的对称稳定性，有利于精度提高。

移动质量块框架24包括沿所述第一方向相对且间隔设置的两个第一移动质量块框架241和沿所述第二方向相对且间隔设置的两个第二移动质量块框架242。两个所述第一移动质量块框架241和两个第二移动质量块框架242环设于所述质量块21的四周侧，且均位于所述移动质量块22的远离所述质量块21的一侧。

所述第一移动质量块框架241包括第一框架本体2411和具有多个第一移动梳齿2412的第一移动梳齿部2413，多个所述第一移动梳齿2412由所述第一框架本体2411相对设置的两长轴边分别沿第二方向向其内部延伸形成。

所述第二移动质量块框架242包括第二框架本体2421和具有多个第二移动梳齿2422的第二移动梳齿部2423，多个所述第二移动梳齿2422由所述第二框架本体2421相对设置的两长轴边分别沿第一方向向其内部延伸形成。

所述固定梳齿25包括分别固定于所述基座1的两个第一固定梳齿部251和两个第二固定梳齿部252，两个所述第一固定梳齿部251分别与两个所述第一移动梳齿部2413匹配，两个第二固定梳齿部252分别与两个所述第二移动梳齿部2423匹配。

具体的，所述第一固定梳齿部251具有多个第一固定梳齿2511，且分别和与其匹配的所述第一移动梳齿部2413的多个第一移动梳齿2412相互交错插设并相互间隔，形成第一电容，作为驱动电容，实现反相驱动模态，如图4a所示。

所述第二固定梳齿部252具有多个第二固定梳齿2521，且分别和与其匹配的所述第二移动梳齿部2423的多个第二移动梳齿2422相互交错插设并相互间隔，形成第二电容，作为检测电容，实现感测模态，如图4b所示。

第一移动质量块框架241及第二移动质量块框架242分别带动第一移动梳齿部2413和第二移动梳齿部2423运动时，第一移动梳齿部2413和第二移动梳齿部2423分别相对于与之对应的第一固定梳齿部251和第二固定梳齿部252运动，从而改变检测电容、驱动电容的电容值，并可第一固定梳齿部251和第二固定梳齿部252外上外引电极施加电压和测量该电容(或该电容的变化量)。

所述第二弹簧梁26包括多个且分别位于相对设置的所述移动质量块21和所述移动质量块框架22之间，并将二者形成弹性连接，且所述第二弹簧梁26延伸至与所述锚块3形成固定。本实施方式中，每一所述传感单元2配置四个所述锚块3，且四个所述锚块3分别位于所述质量块21的四个角的位置。

也就是说，第二弹簧梁26包括多个，且分别位于相对设置的所述移动质量块22与所述第一移动质量块框架241之间，以及位于相对设置的所述移动质量块22与所述第二移动质量块框架242之间。

本实施方式中，位于相对设置的所述移动质量块22与所述第一移动质量块框架241之间，或位于相对设置的所述移动质量块22与所述第二移动质量块框架242之间的所述第二弹簧梁26均包括两个，形成一组，同一组的两个第二弹簧梁26间隔相对设置，且沿平行于与其对应的所述移动质量块22的方向延伸。

上述结构中，因移动质量块22的设置，使得设置于质量块与移动质量块框架24之间的第一弹簧梁23及第二弹簧梁26相互之间不存在干涉，则有效的提高了第一弹簧梁23及第二弹簧梁26的设计灵活度，极大程度的改善了高精度陀螺仪100的共振频率性质，提高其传感精度与性能。

本实施方式中，为了调节增加上述部件的连接刚度，传感单元2还包括位于相对设置的所述移动质量块22和所述移动质量块框架24之间的连接部27，连接部27将二者形成刚性连接。

更优的，对应设置的连接部27位于两个所述第二弹簧梁26之间且相互间隔。

根据所需的刚度来调节第二弹簧梁26的长度及同一组的两个第二弹簧梁26间的距离，而增加的连接部27的连接方式可以加强刚度。本实施方式中，所述连接部27呈矩形结构或栅栏状，当然不限于此，根据需要加强的刚度可对连接部27的结构形状进行调整设计。

所述高精度陀螺仪100还包括第三弹簧梁5，所述第三弹簧梁5包括多个且分别位于相邻两个传感单元2之间，并将相邻的两个所述传感单元2的两个所述移动质量块框架24形成弹性连接。

本实施方式中，位于相邻的两个所述传感单元2的两个所述移动质量块框架24之间的所述第三弹簧梁5平行于该两个移动质量块框架24设置。该结构同样可增加第三弹簧梁5的长度设计，灵活性更好。

第三弹簧梁5同样也改善了所述高精度陀螺仪100的谐振频率性质。，第三弹簧梁5也叫耦合弹簧梁，用于使反相驱动模态和感测模态的运动同步，进一步提高精度。

高精度陀螺仪100的谐振频率为:

其中，k＝k1+k2+k3,k1为第一弹簧梁23的刚度；k2为第二弹簧梁26的刚度；k3为第三弹簧梁5的钢度，即耦合弹簧梁的刚度。故，本发明通过移动质量块22、第一弹簧梁23、第二弹簧梁26以及第三弹簧梁5的设计，有效的改善了高精度陀螺仪100的谐振频率性质。

横梁4包括多个且分别固定于所述基座1，本实施方式中，横梁4包括四个。四个横梁4间隔设置于四个所述传感单元形成的矩阵外周，相邻的两个所述传感单元2同时与同一个所述横梁4固定连接。

具体的，横梁4连接于传感单元2的移动质量块框架24的远离质量块21的一侧。

横梁4形成杠杆机构，由于杠杆机构的刚性，从驱动模态和感测模态都消除了低频同相模式，从而能够完全机械地抵抗外部冲击和振动，提高可靠性和精度。

与相关技术相比，本发明高精度陀螺仪中，通过在所述质量块与所述移动质量块框架之间增加设置了所述移动质量块，通过第一弹簧梁将质量块与移动质量块连接，通过第二弹簧梁将移动质量块与移动质量块框架连接，且第二弹簧梁延伸至锚块并通过锚块固定于基座。移动质量块的增加使得第一弹簧梁和第二弹簧梁的设计相互不会形成干涉，有效的提高了第一弹簧梁和第二弹簧梁的设计灵活度，实现根据频率要求进行结构设计调整，从而使得频率带宽增大；而且通过移动质量块的延长，可调整传感单元在第一方向与第二方向(即X，Y方向)的匹配度，使得X-Y轴由于工艺问题造成的失配更容易补偿，从而有效提高品质因素Q值；第一弹簧梁和第二弹簧梁因质量块的设置后实现了灵活设计，提高了可靠性，并使该高精度陀螺仪的精度及性能更优，另外，移动质量块的设计可以延缓不必要的震动带来的第一弹簧梁及第一弹簧梁可靠性不足，且可使第一弹簧梁及第一弹簧梁有足够的强度，从而在确定频率的基础上，增加频率带宽，增强连接的支撑力度。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高精度陀螺仪，包括呈矩形结构的基座、设置于所述基座顶面的传感单元，以及位于与所述传感单元相同层面的多个锚块，多个所述锚块环绕所述传感单元间隔设置，所述锚块通过绝缘层将所述传感单元固定于所述基座上，其特征在于，所述传感单元包括：

质量块，所述质量块呈矩形结构，包括沿第一方向相对且间隔设置的两个第一侧壁和沿第二方向相对且间隔设置的两个第二侧壁，所述质量块叠设支撑于所述基座；所述第一方向与所述第二方向相互垂直且围成的平面与所述基座平行；

移动质量块，所述移动质量块包括四个并分别环设于所述质量块的四周侧，四个所述移动质量块分别平行于两个第一侧壁及两个第二侧壁并与所述质量块间隔设置；

第一弹簧梁，所述第一弹簧梁将所述质量块和所述移动质量块形成弹性连接；

移动质量块框架，所述移动质量块框架包括沿所述第一方向相对且间隔设置的两个第一移动质量块框架和沿所述第二方向相对且间隔设置的两个第二移动质量块框架；两个所述第一移动质量块框架和两个第二移动质量块框架环设于所述质量块的四周侧，且均位于所述移动质量块的远离所述质量块的一侧；所述第一移动质量块框架包括第一框架本体和具有多个第一移动梳齿的第一移动梳齿部，多个所述第一移动梳齿由所述第一框架本体相对设置的两长轴边分别沿第二方向向其内部延伸；所述第二移动质量块框架包括第二框架本体和具有多个第二移动梳齿的第二移动梳齿部，多个所述第二移动梳齿由所述第二框架本体相对设置的两长轴边分别沿第一方向向其内部延伸；

固定梳齿，所述固定梳齿包括分别固定于所述基座的两个第一固定梳齿部和两个第二固定梳齿部，两个所述第一固定梳齿部分别与两个所述第一移动梳齿部匹配，两个第二固定梳齿部分别与两个所述第二移动梳齿部匹配；所述第一固定梳齿部具有多个第一固定梳齿，且分别和与其匹配的所述第一移动梳齿部的多个第一移动梳齿相互交错插设并相互间隔，形成第一电容；所述第二固定梳齿部具有多个第二固定梳齿，且分别和与其匹配的所述第二移动梳齿部的多个第二移动梳齿相互交错插设并相互间隔，形成第二电容；以及

第二弹簧梁，所述第二弹簧梁包括多个且分别位于相对设置的所述移动质量块和所述移动质量块框架之间，并将二者形成弹性连接，且所述第二弹簧梁延伸至与所述锚块形成固定，所述第二弹簧梁沿平行于与其对应的所述移动质量块的方向延伸。

2.根据权利要求1所述的高精度陀螺仪，其特征在于，所述传感单元还包括位于相对设置的所述移动质量块和所述移动质量块框架之间的连接部，所述连接部将二者形成刚性连接。

3.根据权利要求2所述的高精度陀螺仪，其特征在于，位于相对设置的所述移动质量块与所述第一移动质量块框架之间，或位于相对设置的所述移动质量块与所述第二移动质量块框架之间的所述第二弹簧梁均包括两个，两个第二弹簧梁间隔相对设置，且沿平行于与其对应的所述移动质量块的方向延伸，对应设置的所述连接部位于两个所述第二弹簧梁之间且相互间隔；每一所述传感单元配置四个所述锚块，且四个所述锚块分别位于所述质量块的四个角的位置。

4.根据权利要求2所述的高精度陀螺仪，其特征在于，所述连接部呈矩形结构或栅栏状。

5.根据权利要求1所述的高精度陀螺仪，其特征在于，所述质量块还包括由所述第一侧壁沿所述第二方向向其内部凹陷的第一让位槽，以及由所述第二侧壁沿所述第一方向向其内部凹陷的第二让位槽；多个所述第一弹簧梁分别延伸至与其对应的所述第一让位槽内或所述第二让位槽内。

6.根据权利要求5所述的高精度陀螺仪，其特征在于，每一所述第一侧壁设有两个相互间隔的所述第一让位槽，每一所述第二侧壁设有两个相互间隔的所述第二让位槽；每一所述移动质量块与所述质量块之间设有两个所述第一弹簧梁。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的高精度陀螺仪，其特征在于，所述传感单元包括至少四个且呈矩阵排列；所述高精度陀螺仪还包括第三弹簧梁，所述第三弹簧梁包括多个且分别位于相邻两个所述传感单元之间，并将相邻的两个所述传感单元的两个所述移动质量块框架形成弹性连接。

8.根据权利要求7所述的高精度陀螺仪，其特征在于，位于相邻的两个所述传感单元的两个所述移动质量块框架之间的所述第三弹簧梁平行于与其对应的两个所述移动质量块框架设置。

9.根据权利要求7所述的高精度陀螺仪，其特征在于，所述高精度陀螺仪还包括固定于所述基座的多个横梁，所述横梁间隔设置于四个所述传感单元形成的矩阵外周，相邻的两个所述传感单元同时与同一个所述横梁固定连接。

10.根据权利要求9所述的高精度陀螺仪，其特征在于，所述横梁连接于所述移动质量块框架的远离所述质量块的一侧。

Images