CN111578921A - 具有同步框架的多轴陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种微机电多轴陀螺仪，该微机电多轴陀螺仪包括：四个基准质量块的组、用于从中央锚定点悬置四个基准质量块的组的中央悬架装置。该陀螺仪还包括同步框架和四个检测质量块的组。一个或更多个侧向角弹簧从侧向相邻的基准质量块延伸至每个检测质量块，并且一个或更多个横向角弹簧从横向相邻的基准质量块延伸至每个检测质量块。

Description

具有同步框架的多轴陀螺仪

技术领域

本公开涉及微机电陀螺仪，并且尤其涉及多轴陀螺仪，在该多轴陀螺仪中，可以使用相同振荡基准质量块系统来测量围绕一个、两个或三个相互垂直的旋转轴线角旋转。

背景技术

在利用振荡基准质量块的微机电(MEMS)陀螺仪中，一个普遍的问题是，质量块应当优选地易于通过驱动致动器驱动到初级振荡模式(也可以称为驱动振荡模式)，并且也易于通过科里奥利力设置成次级振荡模式(也可以称为感应振荡模式)，但是仍然优选地不受外部干扰而移动。换言之，陀螺仪应当优选地不受由周围元件施加至该陀螺仪的线性和旋转振动的干扰，使得其输出信号仅由陀螺仪在预期的测量频率范围内所经历的角旋转速率确定。例如，在汽车应用中，干扰振动通常在1kHz至50kHz的频率范围内，而测量频率范围通常在1kHz以下。

可以仅利用一个振荡基准质量块来构造简单的MEMS陀螺仪，但是如果存在频率接近陀螺仪的工作频率的外部振动，则陀螺仪的输出信号通常将非常嘈杂。这种陀螺仪仅在高于50kHz的工作频率下才实用，在该频率下，陀螺仪的灵敏度可能非常低，并且其他干扰效应、比如由于制造缺陷而产生的正交信号可能会变得非常突出。众所周知，两个或四个基准质量块反相振荡的基准质量块系统可以比一个质量块的陀螺仪稳定得多，因为由引起两个或四个基准质量块的同相运动的振动所产生的信号分量可以经由差分测量在某种程度上自动抵消。此外，如果可以将同相谐振频率提高到50kHz以上而又不影响差分谐振频率，则陀螺仪对于外部振动可能非常稳定，因为对于干扰振动不存在谐振放大。

一些MEMS陀螺仪被设计成用于测量围绕垂直于设备基板的一个轴线的旋转速率。这种陀螺仪可以被称为z轴陀螺仪。其他MEMS陀螺仪被设计成用于测量围绕位于基板平面内的两个垂直轴线中的任意一个垂直轴线的旋转速率。这样的陀螺仪可以被称为x轴陀螺仪和/或y轴陀螺仪。

可以通过将在相同设备中用于不同旋转轴线的两个或三个单轴陀螺仪组合来创建多轴陀螺仪。这种多轴陀螺仪将具有两个或三个离散的工作频率，这使得电子电路的设计变得困难。于是，对于初级振荡而言，还需要多个维持和稳定电路。一些多轴MEMS陀螺仪被设计成使用同一组振荡的基准质量块来测量围绕x、y和/或z轴的旋转速率，以避免不同频率之间可能的干扰。

很难使基于单个振荡频率的多轴陀螺仪具有强大的对抗外部干扰的能力，因为必须赋予所有基准质量块沿许多不同方向振荡的自由度，以便能够自由地采用与绕三个相互正交的轴线的角旋转相关联的任何次级振荡模式。外部振动仍然必须在使基准质量块附接至固定结构的部分弹性悬架和联接装置中被抑制或在差分测量中被抵消。在利用两个或四个基准质量块的多轴陀螺仪中，很难实现强大的抵抗外部振动的能力以及将所有振荡模式与能量泄漏隔离。

文献US2012048017公开了一种多轴陀螺仪，其中，初级振荡包括相对于中心点同时径向振荡的四个质量块。在该装置中，z轴次级振荡模式不易于与x轴和y轴次级振荡模式解耦。

发明内容

本公开的目的是提供一种用于减轻上述缺点的设备。

本公开的目的通过一种具有如独立权利要求中所述的特征的装置来实现。本公开的优选实施方式在从属权利要求中公开。

本公开是基于利用四个基准质量块的组和四个检测质量块的组以及围绕这些基准质量块的同步框架的思想。基准质量块附接至同步框架，以促进x轴和y轴次级振荡模式的同步。检测质量块通过侧向角弹簧和横向角弹簧附接至基准质量块，所述侧向角弹簧和横向角弹簧将z轴次级振荡从基准质量块传递至检测质量块。侧向角弹簧和横向角弹簧定尺寸成使得当基准质量块在初级振荡模式下振荡时以及当基准质量块在x轴和y轴次级振荡模式下振荡时，检测质量块基本保持静止。

附图说明

以下将参照附图通过优选实施方式更详细地描述本公开，在附图中：

图1解释了图2a至图2f中使用的符号。

图2a至图2d示出了第一初级振荡模式和相应的次级振荡模式。

图2e至图2f示出了第二初级振荡模式和相应的次级振荡模式。

图3a至图3b示出了外围同步框架和框架悬架弹簧。

图4a至图4c示出了中央悬架装置。

图5a至图5b示出了适应初级振荡模式和/或使初级振荡模式同步的同步框架。

图6示出了外围悬架装置。

图7a至图7d示出了检测质量块、检测质量块的振荡和检测质量块的悬架。

图8说明了更详细的陀螺仪结构。

具体实施方式

本公开描述了一种微机电陀螺仪，该微机电陀螺仪包括形成四个基准质量块的组的第一基准质量块、第二基准质量块、第三基准质量块和第四基准质量块。所述基准质量块在其静止位置围绕陀螺仪中心点对称地布置，在该陀螺仪中心点处，侧向轴线在设备平面中与横向轴线正交地相交，并且在该陀螺仪中心点处，竖向轴线与侧向轴线和横向轴线两者正交地相交。

第一基准质量块和第二基准质量块在其静止位置在侧向轴线上对准，并且第三基准质量块和第四基准质量块在其静止位置在横向轴线上对准。陀螺仪包括定位在陀螺仪中心点处的中央锚定点。

陀螺仪还包括一个或更多个驱动换能器和一个或更多个感应换能器，所述一个或更多个驱动换能器用于将四个基准质量块的组设置成初级振荡模式，所述一个或更多个感应换能器用于检测在陀螺仪分别绕竖向轴线、侧向轴线和/或横向轴线进行角旋转时由科里奥利力引起的在z轴、x轴和/或y轴次级振荡模式下的四个基准质量块的组的振荡。

陀螺仪还包括用于从中央锚定点悬置四个基准质量块的组的中央悬架装置。该中央悬架装置以陀螺仪中心点为中心，并且定位成比四个基准质量块的组更靠近陀螺仪中心点。四个基准质量块的组中的每个基准质量块均附接至中央悬架装置，并且中央悬架装置灵活地适应初级振荡模式、z轴次级模式以及x轴和y轴次级模式。

陀螺仪还包括同步框架，该同步框架以四个块的组的中心点为中心并且定位成比四个基准质量块的组更远离陀螺仪中心点。四个基准质量块的组中的每个基准质量块均通过一个或更多个框架悬架弹簧附接至同步框架，并且同步框架至少使x轴和y轴次级振荡模式同步。

陀螺仪包括一起形成四个检测质量块的组的第一检测质量块、第二检测质量块、第三检测质量块和第四检测质量块，四个检测质量块的组在其静止位置围绕陀螺仪中心点对称布置。第一检测质量块和第二检测质量块在以45度的角度与侧向轴线和横向轴线相交并且穿过陀螺仪中心点的第一对角轴线上对准。第三检测质量块和第四检测质量块在与第一对角轴线正交并且穿过陀螺仪中心点的第二对角轴线上对准。

一个或更多个侧向角弹簧从侧向相邻的基准质量块延伸到每个检测质量块，并且一个或更多个横向角弹簧从横向相邻的基准质量块延伸到每个检测质量块。

一个或更多个侧向角弹簧在侧向方向上是刚性的并且在横向方向上是弹性的，而横向角弹簧在横向方向上是刚性的并且在侧向方向上是弹性的。侧向角弹簧和横向角弹簧两者都沿切线方向延伸，并且它们在相同的切线方向上是刚性的，使得基准质量块的任何切线运动都会通过角弹簧传递至所附接的检测质量块。侧向角弹簧和横向角弹簧在径向方向和竖向方向上是弹性的，使得基准质量块的径向运动和向平面外的运动不传递(或仅非常弱地传递)至检测质量块。

在此上下文中，角弹簧的这些“刚性/弹性”的特性可能意味着，例如，当在每个基准质量块与检测质量块之间仅使用一个侧向/横向角弹簧时，这些角弹簧在切向方向上弯曲的劲度系数(spring constant)可以大于它们在径向方向和/或竖向方向上弯曲的劲度系数的至少1.3倍、优选地至少10倍。然而，如果在每个基准质量块与检测质量块之间附接有大于一个的角弹簧，这些要求可能会有所不同，并且这些要求也可能根据基准质量块和检测质量块的尺寸以及角弹簧的附接点的位置而变化。此外，替代性地，可以通过将具有扭转弹性紧固件的角弹簧附接至基准质量块和检测质量块两者来产生竖向弹性。在这种情况下，劲度系数关系也可以超出上述范围。

初级振荡模式可以是设备平面中的第一初级振荡模式，其中，当第三基准质量块和第四基准质量块远离陀螺仪中心点径向移动时，第一基准质量块和第二基准质量块朝向陀螺仪中心点径向移动，并且反之亦然。替代性地，初级振荡模式可以是设备平面中的第二初级振荡模式，其中，第一基准质量块、第二基准质量块、第三基准质量块和第四基准质量块全部同时朝向陀螺仪中心点径向移动，并随后全部同时远离陀螺仪中心点径向移动。

相应的第一z轴次级振荡模式和第二z轴次级振荡模式响应于围绕竖向轴线的角旋转而出现在四个基准质量块的组中。第一z轴次级振荡模式包括平面内切向振荡，其中，当第三基准质量块和第四基准质量块沿切线逆时针方向移动时，第一基准质量块和第二基准质量块相对于陀螺仪中心点顺时针移动，并且反之亦然。第二z轴次级振荡模式包括平面内切向振荡，其中，第一基准质量块、第二基准质量块、第三基准质量块和第四基准质量块全部同时相对于陀螺仪中心点顺时针移动，并随后全部同时相对于陀螺仪中心点逆时针移动。

四个基准质量块的组的x轴次级振荡模式响应于围绕侧向轴线的角旋转而在四个基准质量块的组中发生。x轴次级振荡模式包括向平面外的切向振荡，其中，第三基准质量块和第四基准质量块同时相对于陀螺仪中心点在横向竖向平面中顺时针移动，然后逆时针移动。

四个基准质量块的组的y轴次级振荡模式响应于围绕横向轴线的角旋转而在四个基准质量块的组中出现。y轴次级振荡模式包括向平面外的切向振荡，其中，第一基准质量块和第二基准质量块同时相对于陀螺仪中心点在侧向竖向平面中顺时针移动，然后逆时针移动。

陀螺仪包括一个或更多个感应换能器，所述一个或更多个感应换能器用于在第一z轴次级振荡模式或第二z轴次级振荡模式以及x轴次级振荡模式和y轴次级振荡模式下检测四个基准质量块的组的振荡。

在本公开中，设备平面被示出并且被称为xy平面。xy平面也可以被称为水平面。z轴垂直于xy平面。z轴也可以被称为竖向轴线。其中当基准质量块移动离开其静止位置时，基准质量块在设备平面内保持水平的线性和/或旋转运动可以被称为“平面内”运动或“设备平面内的运动”，而其中基准质量块在竖向方向上从其静止位置移开的线性和/或旋转运动可以被称为“向平面外的”运动或“向设备平面外的运动”。

在本公开的其余部分中，围绕垂直于设备平面的任何轴线的旋转将被称为绕z轴的旋转。类似地，围绕平行于所示x轴的任何轴线的旋转将被称为绕x轴的旋转，并且围绕平行于所示y轴的任何轴线的旋转将被称为绕y轴的旋转。

在本公开中，“径向”振荡是指在xy平面内远离中心点和朝向中心点的线性运动。“切向”振荡是指沿着以中心点为中心的假想圆的切线在xy平面、xz平面(侧向竖向)或yz平面(横向竖向)内的运动。xy平面内的切向振荡可以被称为平面内切向振荡，而xz平面和yz平面内的切向振荡可以被称为向平面外的切向振荡。实际上，切向振荡可以是线性运动和旋转的混合。悬架装置将确定基准质量块如何切向移动。

在本公开的附图中，除非另有说明，否则在第一四个基准质量块的组中的基准质量块的位置对应于它们的静止位置。使用图1中示出的符号来说明本公开的不同实施方式中的基准质量块的振荡方向以及振荡之间的相位关系。第11行上示出的白色箭头说明在设备平面中发生的初级振荡模式。第12行上的黑色箭头说明在陀螺仪绕z轴旋转时将(在设备平面中)发生的次级模式。第13行上示出的一对符号将一起用于说明在陀螺仪绕x轴旋转时一对基准质量块的向平面外的运动。第14行上示出的一对符号将一起用于说明在陀螺仪绕y轴旋转时一对基准质量块的向平面外的运动。

图2a示意性地示出了具有四个基准质量块的组的微机电陀螺仪及其初级振荡模式。

陀螺仪包括第一基准质量块211、第二基准质量块212、第三基准质量块213和第四基准质量块214。这四个基准质量块一起形成四个基准质量块的组。陀螺仪中心点是侧向轴线28与横向轴线29相交的点。

所有基准质量块可以通过允许振荡运动的弹性悬架弹簧(图2a中未示出)而从固定支撑件上悬置。陀螺仪还可以包括电容式或压电式致动器(图2a中未示出)和控制单元，该控制单元被配置成向致动器施加一个或更多个驱动电压信号。控制单元由此可以驱动基准质量块的初级振荡。当陀螺仪绕x轴、y轴或z轴旋转时，科里奥利力将至少一些基准质量块设置成次级振荡。

陀螺仪还可以包括使基准质量块的运动同步的联接弹簧，从而获得期望的振荡相位，这将在下面更详细地描述。一些基准质量块可能未直接连接至致动器。替代地，它们的初级振荡可以由联接弹簧间接地致动，该耦合弹簧将致动器驱动的基准质量块的运动传递给未直接连接至致动器的基准质量块。

悬架弹簧可以包括在陀螺仪中心点附近形成的中央悬架装置和可以支撑基准质量块的重量和/或在陀螺仪的外围附近的外围同步结构的重量的外围悬架装置。这些悬架装置可以具有同步功能，如下面更详细地描述的。

图2a和图2b示出了第一初级振荡模式和随后的次级振荡模式。第一初级振荡模式包括每个基准质量块相对于陀螺仪中心点在径向方向上振荡的运动。如图2a中所示，当第三基准质量块213和第四基准质量块214朝向陀螺仪中心点移动时，第一基准质量块211和第二基准质量块212远离陀螺仪中心点移动。在相反的一半振荡周期中，这些方向是相反的。

四个基准质量块的组的次级振荡模式包括第一z轴次级模式、x轴次级模式和y轴次级模式。

响应于陀螺仪围绕z轴的旋转，第一z轴次级模式包括每个基准质量块在设备平面中(相对于陀螺仪中心点)切向振荡的运动。响应于陀螺仪围绕平行于侧向轴线的x轴的旋转，x轴次级模式包括由第三基准质量块213和第四基准质量块214形成的基准质量块对在yz平面中切向振荡出设备平面的运动。并且响应于陀螺仪围绕平行于横向轴线的y轴的旋转，y轴次级模式包括由第一基准质量块211和第二基准质量块212形成的基准质量块对在xz平面中切向振荡出设备平面的运动。

图2b示出了这些次级振荡模式。响应于陀螺仪绕z轴的旋转，科里奥利力将使所有基准质量块在设备平面内切向振荡。反相的初级振荡模式引起相应的反相的次级振荡模式，其中，如图2b中所示，当第三基准质量块213和第四基准质量块214顺时针移动时，第一基准质量块211和第二基准质量块212逆时针移动，并且反之亦然。

电容式或压电式测量换能器可以用于确定z轴次级振荡模式下的平面内振荡幅度。如下面更详细描述的，这些换能器可以被配置成测量图2b中未示出的检测质量块的运动。

响应于陀螺仪绕x轴的旋转，科里奥利力将使由第三基准质量块和第四基准质量块形成的基准质量块对213+214相对于陀螺仪中心点切向振荡出设备平面，如图2b中象征性地所示。这些基准质量块对可以通过中央和/或外围悬架和联接弹簧彼此连结。为了清楚起见，这种弹簧未在图2b中示出，但是将在下面讨论。由于反相的初级振荡，在基准质量块对中的一个基准质量块将在第一向平面外的方向上振荡，而另一基准质量块在相反的向平面外的方向上振荡。

响应于陀螺仪绕y轴的旋转，科里奥利力将使由第一基准质量块和第二基准质量块形成的基准质量块对211+212相对于陀螺仪中心点切向振荡出设备平面，如图2b中象征性地所示。如前所述，这些基准质量块对可以通过中央和/或外围悬架和联接弹簧彼此连结，并且由于反相的初级振荡，基准质量块对中的一个基准质量块将在第一向平面外的方向上振荡，而另一基准质量块在相反的向平面外的方向上振荡。

电容式或压电式测量换能器可以用于确定x轴和y轴次级振荡模式下的向平面外振荡幅度。

在实践中，切向振荡可以是线性运动和旋转运动的组合。图2c示出了作为线性运动和旋转的混合的切向平面内振荡。图2d示出了作为线性运动和旋转的混合的向平面外的切向振荡。悬架装置将决定哪个分量——线性运动或旋转——会占主导地位。

图2e和图2f示出了第二初级振荡模式和随后的次级振荡模式。第二初级振荡模式包括每个基准质量块相对于陀螺仪中心点在径向方向上振荡的运动。然而，如图2e中所示，在这种情况下，所有四个基准质量块同时从陀螺仪中心点移开。在相反的一半振荡周期中，所有质量块同时朝向陀螺仪中心点移动。

四个基准质量块的组的次级振荡模式包括第二z轴次级模式、x轴次级模式和y轴次级模式。该x轴和y轴次级模式与在使用第一初级振荡模式时由x轴和y轴旋转产生的x轴和y轴次级模式相同。因此，下面仅描述第二z轴次级模式。

图2f示出了第二z轴次级振荡模式。响应于陀螺仪绕z轴的旋转，科里奥利力将使所有基准质量块在设备平面内切向振荡。同相初级振荡模式引起相应的同相次级振荡模式，其中，所有基准质量块同时沿顺时针方向移动。在振荡周期的相反部分中，所有质量块同时沿逆时针方向移动。

如前所述，电容式或压电式测量换能器可以用于确定z轴次级振荡模式下的平面内振荡幅度。

贯穿本公开，术语“适应”和“促进”以及诸如“结构A适应/促进振荡模式X”之类的短语具有以下含义。X表示图2a至图2f中所示的期望的初级或次级振荡模式。结构A在模式X所要求的运动中表现出的劲度系数足够小，以使得允许以足够的精度检测从所有次级振荡模式测量的输出信号。所需的劲度系数不仅将取决于A和X，而且还将取决于例如感应换能器和输出信号调节。

贯穿本公开，术语“同步”和诸如“结构A使振荡模式X同步”的短语具有以下含义。结构A在相互连接的质量块元件的系统中构成机械连接，该质量块元件的系统应当优选地以期望的模式X振荡，但优选地不以不期望的模式Y振荡。结构A表现出刚性和弹性的有益组合，使得结构A的存在改善了系统中模式X的谐振频率F_X与模式Y的谐振频率F_Y之间的关系。

结构A的存在可能会例如增加F_Y/F_X的比率和/或F_Y-F_X的差。参考状态——针对该参考状态测量改进——可以在某些情况下是没有结构A的相同的质量块元件系统。在这种情况下，仅需要结构A进行同步。在其他情况下，当还需要结构A以用于支撑质量块元件的重量时，参考状态——针对该参考状态测量同步性改进——可以是相同的质量块元件系统，其中，A已经被仅提供结构性支撑的替代性的标准结构B取代。

总的来说，所有的悬架装置都经过优化以用于支撑以及在某些方向上具有弹性并且在其他方向上具有刚性。这三个变量可能彼此冲突，因此优化意味着找到良好的折衷解决方案。陀螺仪的所有元件都可能影响这些折衷。

在本公开中呈现的任何实施方式中，例如，可以在四个基准质量块的组中的至少一些基准质量块、或者可能所有的基准质量块内形成的开口中或在中央悬架装置内形成的开口中提供电容式驱动换能器。这两种开口的示例在下面的图8中用白色区域表示。可以在一个或更多个基准质量块中的开口内或者一个或更多个基准质量块附近提供电容式感应换能器，以检测z轴次级振荡模式。

可以在一个或更多个基准质量块的上方和/或下方提供电容式感应换能器，以检测x轴和/或y轴次级振荡模式。替代性地或互补地，可以在同步框架的上方/下方提供电容式感应换能器，以检测相同模式。

替代性地，驱动换能器和感应换能器可以是压电式换能器。在本公开的附图中未示出换能器。

图3a示出了具有中央悬架装置和外围同步框架的微机电陀螺仪。附图标记311-314和38-39分别对应于图2a至图2f中的附图标记211-214和28-29。第一基准质量块311、第二基准质量块312、第三基准质量块313和第四基准质量块314形成围绕陀螺仪中心点定中心的四个基准质量块的组。中央锚定点331位于陀螺仪中心点处。检测质量块以及驱动换能器和感应换能器未示出。

中央悬架装置包括中央悬架弹簧351-354。每个中央悬架弹簧从中央锚定点331延伸至相应的基准质量块。中央悬架弹簧351-354在径向方向上具有弹性，以适应初级振荡模式，但在竖向方向上具有相对刚性，以支撑基准质量块311-314的重量。此外，中央悬架弹簧还展现出一定的扭转弹性以适应在x轴和y轴次级模式下基准质量块的向平面外的切向振荡，并且展现出一定的弹性以用于平面内弯曲，以适应z轴次级模式。中央悬架弹簧可以例如是曲形弹簧。

陀螺仪包括同步框架32。陀螺仪还包括四个或更多个框架悬架弹簧341-344。每个基准质量块311-314都通过相应的框架悬架弹簧341-344附接至同步框架32。在所示的装置中，每个框架悬架弹簧是从同步框架32上的第一附接点延伸至同步框架32上的第二附接点的长形弹簧。框架悬架弹簧的中点附接至相应的基准质量块。这种构型使框架悬架弹簧具有径向弹性，从而可以灵活地允许四个基准质量块的组的初级振荡模式。

框架悬架弹簧341-344在平面内切线方向上缺乏弹性。这允许同步框架32使图2f中所示的第二z轴次级振荡模式同步。当质量块被驱动到图2e中所示的第二初级振荡模式时，质量块将全部同时在z轴次级模式下沿相同的平面内切线方向移动，如图2f中所示。通过使同步框架32绕穿过陀螺仪中心点的z轴进行顺时针和逆时针转动来同步该运动。

此外，框架悬架弹簧在竖向方向上是刚性的，使得同步框架32通过同步框架32绕横向轴线39(在y轴次级模式下)或侧向轴线38(在x轴次级模式下)的旋转来同步x轴和/或y轴次级振荡模式。框架悬架弹簧341-344在竖向方向上足够厚，以使整个四个基准质量块的组311-314至少与同步框架32保持大致水平。当陀螺仪绕x轴或y轴进行角运动时，同步框架32可以自由转动。

同步框架32的转动确保当陀螺仪绕y轴进行角旋转时，第一基准质量块311和第二基准质量块312同时沿相反的向平面外的切线方向移动，并且确保当陀螺仪绕x轴进行角旋转时，第三基准质量块313和第四基准质量块314同时沿相反的向平面外的切线方向移动。然而，同步框架32不必一定是完全刚性的。同步框架32可能会发生某种程度的扭曲，尤其是当陀螺仪同时绕x轴和y轴两者进行角旋转时。

图3a中所示的框架悬架弹簧341-344不适应第一z轴次级振荡模式，因为它们缺乏平面内的切向弹性。图3b示出了替代性的框架悬架弹簧，其提供了特别是第一次级振荡模式所需要的切向弹性。

如图3b中所示，框架悬架弹簧的数量可以大于四个，使得四个基准质量块的组中的一些或全部基准质量块通过多于一个的框架悬架弹簧从同步框架32悬置。图3b示出了替代性实施方式，其中，四个基准质量块的组中的每个基准质量块通过两个框架悬架弹簧、比如3441-3442附接至同步框架32。在这种情况下，每个框架悬架弹簧3441和3442从同步框架32上的第一附接点延伸至相邻基准质量块上的第二附着点。框架悬架弹簧3441和3442包括侧向长形部分和横向长形部分两者，这两者赋予了弹簧径向和切向弹性。平行于同步框架的相邻侧面的长形部分可以比正交于该侧面的部分更长，这是因为径向初级振荡模式的幅度通常明显大于切向次级振荡模式的幅度。

如果使用第二初级振荡模式，则可以使用图3a中所示的框架悬架弹簧341-344。这样，第二z轴次级模式的同步非常有效。图3b中所示的框架悬架弹簧3441-3442可以与第一初级振荡模式和第二初级振荡模式一起使用。如果将悬架弹簧3441-3442与第一初级振荡模式一起使用，则同步框架32将仅同步x轴和y轴次级模式，而不同步一些基准质量块沿相反的切线方向移动的第一次级振荡模式。如果框架悬架弹簧3441-3442与第二初级振荡模式一起使用，则同步框架32(除了同步x轴和y轴次级模式之外)还可以在某种程度上同步z轴次级模式。由于弹簧3441-3442的切向弹性，对于框架32提供给z轴次级模式的同步而言，使用框架悬架弹簧3441-3442时比使用框架悬架弹簧341-344时弱。

在图3a至图3b所示的实施方式中，中央悬架装置通过在中央悬架弹簧351-354中的扭转表现出用于向平面外的运动的弹性。在某些情况下，优选地通过使用中央万向节结构以在中央悬架装置中获得用于进行向平面外的运动的更大的灵活性。允许向平面外的运动所需的扭转扭曲可以集中在为此专门设计的扭杆中，这样可以更容易地确保在x轴和y轴次级振荡模式下具有足够的振荡幅度。

图4a——其中，附图标记411-414、42和48-49对应于图3a和图3b中的附图标记311-314、32和38-39——示出了替代性实施方式，其中，中央悬架装置包括连接至中央锚定点的中央万向节结构。该中心万向节结构包括内部万向节框架451和外部万向节框架452、一个或更多个内部扭杆461和两个外部扭杆462。内部扭杆461从中央锚定点沿相反的方向延伸至内部万向节框架451，并且外部扭杆462从内部万向节框架451的相反侧沿正交于内部扭杆461的方向延伸至外部万向节框架452。为了清楚起见，在图4a中未示出检测质量块。

如图4a中所示，内部扭杆和外部扭杆可以在相对于侧向轴线和横向轴线成45度角定向的对角线方向上延伸。径向连接元件47可以将每个基准质量块附接至外部万向节框架452。替代性地，内部扭杆和外部扭杆可以沿侧向轴线和横向轴线延伸。

径向连接元件47可以表现出径向弹性以适应第一初级振荡模式和第二初级振荡模式。如果使用第一初级振荡模式，则中央万向节结构可以在某种程度上同步第一初级振荡模式，因为内部万向节框架和外部万向节框架可能会经历椭圆形变换，这对应于一个基准质量块对的向内运动和另一个基准质量块对的同时的向外运动。

第一初级模式的同步可以替代性地通过具有图4b中所示的布置的中央悬架装置来实现。该中央悬架装置还包括中央万向节结构。然而，中央悬架装置还包括围绕外部万向节框架的串联连接的四个正交拐角元件471-474。拐角元件471-474在其静止位置形成基本矩形的形状。每个拐角元件(例如471)的两个端部通过铰链元件(483、481)附接至相邻的拐角元件(例如472和474)的端部，该铰链元件允许所附接的拐角元件的相对于彼此的平面内旋转。中央悬架装置还包括至少四个连接杆43。每个连接杆43从外部万向节框架延伸至相邻的拐角元件的拐点。四个基准质量块的组中的每个基准质量块411-414都附接至相邻的铰链连接元件481-484。每个连接杆43可以通过附加的铰链连接元件(未示出)连接至相邻的拐角元件的拐点，使得连接杆43不会抵抗下面图4c中所示的转向运动。

铰链连接元件481-484、连接杆43以及内部万向节框架和外部万向节框架应当优选地在竖向方向上是尽可能刚性的，使得它们尽可能地使涉及向平面外的振荡的x轴次级振荡模式和y轴次级振荡模式同步。

图4c更详细地示出了同步功能。图4c的左侧示出了处于其静止位置的四个L形拐角元件471-474，所述四个L形拐角元件471-474与四个铰链连接元件481-484互相连接。图4c的右侧示出了在振荡周期的一部分中的这些拐角元件的位置，其中，四个基准质量块的组中的第一基准质量块和第二基准质量块已经在侧向轴线48上远离彼此移动，并且第三基准质量块和第四基准质量块已经在横向轴线49上朝向彼此移动。

第一拐角元件471和第四拐角元件474两者都已经绕铰链连接元件481转动，使得由铰链连接元件的臂形成的角度变得远离中心点成钝角。第二拐角元件472和第三拐角元件473两者也都已经转动，使得由它们的铰链连接元件482形成的角度变得远离中心点成钝角。另一方面，由铰链连接元件483和484形成的角度在相反的方向上、朝向中心点呈钝角。在未示出的振荡周期的相反部分中，每个铰链连接元件形成的角度将在另一方向上呈钝角。每个拐角元件的刚度用于维持两个基准质量块对411+412和413+414相对于陀螺仪中心点的反相振荡。可以使用不同的铰链连接元件，并且图4b和图4c中的图示仅是示意性的。

图4a中所示的中央悬架装置可以与本公开中的任何其他实施方式结合使用，包括第一初级振荡模式和第二初级振荡模式两者。仅在使用第一初级振荡模式时才可以使用图4b中所示的中央悬架装置，但是中央悬架装置可以以类似于图5b的方式进行修改，以适应第二初级振荡模式。

也可以使用同步框架32来同步第一初级振荡模式。图5a示出了一种设备，其中，附图标记511-514、58和59分别对应于图3a中的附图标记311-314、38和39。同步框架包括串联连接的四个正交拐角元件521-524。这些元件在其静止位置形成基本矩形的形状(未示出)。每个拐角元件(例如521)的两个端部可以通过铰链元件(561、562)附接至两个相邻的拐角元件(522、524)的端部，该铰链元件允许所附接的拐角元件的相对于彼此的平面内旋转。外围同步装置由此也可以构造成同步四个基准质量块的组的第一初级振荡模式。

同步机构根据与图4c中所示的中央悬架装置中的机构相同的原理进行操作。图5a示出了第一基准质量块511和第二基准质量块512已经朝向陀螺仪中心点移动而第三基准质量块513和第四基准质量块514已经远离陀螺仪中心点移动的情况。每个拐角元件的刚度用于维持两个基准质量块对511+512和513+514相对于陀螺仪中心点的反相振荡。由于由铰链元件561-564提供的在这种情况下适应第一初级振荡模式的径向弹性，因此可以使用没有径向弹性的简单线性框架悬架弹簧541-544来适应第一次级振荡模式下的切向运动。

图5a中所示的同步框架可以与本公开中所示的任何中央悬架装置组合，但是该同步框架只能与第一初级振荡模式一起使用。

图5b示出了适应第二初级振荡模式的替代性同步框架。该同步框架包括与八个铰链元件561-568互相连接的八个线性元件551-558。每个线性元件(例如551)的两个端部都通过铰链元件(568、561)附接至两个相邻的线性元件(558、552)的端部，该铰链元件允许所附接的线性元件的相对于彼此的平面内旋转。

图5b示出了所有基准质量块511-514已经同时向外移动并且同步框架已经扩展以适应该移动的振荡阶段。由拐角铰链元件(562、564、566或568)连接的每对线性元件之间的角度大于90度。在另一半振荡周期中，所有基准质量块511-514都将向内移动，并且同步框架将适应该移动，使得由拐角铰链元件(562、564、566或568)连接的每对线性元件之间的角度变成小于90度。

在以上呈现的实施方式中，中央锚定点用作陀螺仪的仅有的锚定点，使得陀螺仪的所有元件都从该锚定点悬置。有时可能也需要在设备的外围支撑这些元件的重量。

图6示出了陀螺仪，其中，外围悬架装置包括外围万向节结构，该外围万向节结构连接至各自在侧向轴线上对准的两个外围锚定点。这些外围锚定点可以替代性地在横向轴线上对准。检测质量块未在图6中显示。

在该实施方式中，陀螺仪包括内部同步框架621和外部同步框架622。外围万向节结构包括在侧向轴线68上对准以促进万向节绕侧向轴线旋转的两个侧向扭杆653和654和在横向轴线69上对准以促进万向节绕横向轴线旋转的两个横向扭杆651。与外围锚定点632和633在相同轴线上对准的两个扭杆653和654从外部同步框架622的相反侧延伸至相应的外围锚定点，并且与外围锚定点632和633不在相同轴线上对准的两个扭杆651和652从内部同步框架621的相反侧延伸至外部同步框架622。

换言之，如果外围锚定点在横向轴线69上对准，则横向扭杆将从外部同步框架延伸至这些外围锚定点，而侧向扭杆将从内部同步框架621延伸至外部同步框架622。

在图6中所示的装置中，基准质量块611-614的重量部分地由外围悬架装置支撑。外围悬架装置通过侧向扭杆653和654中的扭转扭曲使四个基准质量块的组的x轴次级振荡模式同步。外围悬架装置通过横向扭杆651-652中的扭转扭曲使y轴次级振荡模式同步。如在前面的实施方式中，内部同步框架621和外部同步框架622也可以表现出一定程度的扭曲弹性。外围悬架装置以与图3中所示的外围悬架装置相同的方式适应初级振荡模式和z轴次级振荡模式。

图6所示的外围悬架装置可以与本公开中提出的任何其他实施方式组合。

当基准质量块的运动是线性平移和旋转的组合时，在第一z轴次级模式下检测基准质量块的切向振荡可能是成问题的。可以将附加的检测质量块添加到陀螺仪，以促进更容易地检测该振荡模式。

图7a示出了检测质量块。附图标记711-714和72分别对应于图3a至图3b中的附图标记311-314和32、图4a至图4b中的411-414和42、图5a中的511-514和521-524、图5b中的511-514和551-558以及图6中的611-614和621。78表示侧向轴线，79表示横向轴线。检测质量块可以在图3a至图6中所示的任何设备中提供。

所示的陀螺仪包括一起形成四个检测质量块的组的第一检测质量块731、第二检测质量块732、第三检测质量块733和第四检测质量块734，四个检测质量块的组在其静止位置围绕陀螺仪中心点对称布置。第一检测质量块731和第二检测质量块732在第一对角轴线771上对准，该第一对角轴线771与侧向轴线78和横向轴线79以45度角相交并且穿过陀螺仪中心点。第三检测质量块733和第四检测质量块734在第二对角轴线772上对准，该第二对角轴线772与第一对角轴线771正交且穿过陀螺仪中心点。一个或更多个侧向角弹簧76从侧向相邻的基准质量块711-714延伸至每个检测质量块731-734，并且一个或更多个横向角弹簧75从横向相邻的基准质量块711-714延伸至每个检测质量块731-734。

检测质量块731-734形成四个检测质量块的组。可以将检测质量块放置在同步框架72的拐角附近，使得每个检测质量块占据一个拐角。

四个基准质量块的组和四个检测质量块的组可以一起覆盖大致矩形区域，该矩形区域可以是正方形，如图7a中所示。然而，xy平面中的质量块的形状不必一定是矩形的。可以使用任何合适的形状。检测质量块的尺寸可以通过改变其在xy平面中的形状而相对于基准质量块的尺寸进行调整。

检测质量块731-734可以用于以线性方式检测第一z轴次级振荡模式。角弹簧75和76对其进行促进。横向角弹簧75从第一基准质量块711延伸至第一检测质量块731和第三检测质量块733两者，如图7a中所示。横向角弹簧75也从第二基准质量块712延伸至第二检测质量块732和第四检测质量块734两者。侧向角弹簧76从第三基准质量块713延伸至第一检测质量块731和第四检测质量块734两者。侧向角弹簧76也从第四基准质量块714延伸至第二检测质量块732和第三检测质量块733两者。

当四个基准质量块的组711-714中的基准质量块在第一z轴次级模式下切向振荡时，该切向振荡通过侧向角弹簧和横向角弹簧传递至检测质量块，如图7b中所示。基准质量块711和713在相反的切线方向上的振荡将检测质量块731拉向陀螺仪中心点，同时基准质量块713和712在相反的方向的上振荡将检测质量块734推离陀螺仪中心点。由于角弹簧在侧向方向和横向方向上施加的动量相等(或非常接近于相等)，因此检测质量块以如图7b中所示的方式沿对角轴线771和772径向振荡运动。与基准质量块的切向振荡不同，检测质量块的这种径向振荡不包含平面内旋转的分量。

一个或更多个侧向角弹簧在侧向方向上是刚性的并且在横向方向上是弹性的，而一个或更多个横向角弹簧在横向方向上是刚性的并且在侧向方向上是弹性的。换言之，由于其尺寸，所有的角弹簧都具有径向弹性，但在切线方向上要刚硬得多。

这意味着四个基准质量块的组711-714的初级振荡模式不会使检测质量块731-734运动。相反，检测质量块731-734将基本上保持静止，直到陀螺仪绕z轴旋转为止。由于一个或更多个侧向和横向角弹簧全部沿切线方向定向，因此在第一z轴次级振荡模式和第二z轴次级振荡模式下振荡的基准质量块使检测质量块运动。换言之，角弹簧将z轴次级振荡模式强烈地机械地耦合到检测质量块，而在将基准质量块机械地耦合到检测质量块之间没有机械联接。

不需要检测质量块来检测x轴和y轴的次级模式，因此检测质量块可以与同步框架72断开连接。检测质量块的运动因此仅限于xy平面，这使得测量很容易进行。

每个检测质量块可以从位于对角轴线771或772上的对角锚定点(未示出)悬置，检测质量块在对角轴线771或772上对准。对角锚定点可以例如位于形成在所述检测质量块中的开口内。横向角弹簧75和侧向角弹簧76(和/或将这些弹簧附接至基准质量块和检测质量块的紧固件)可以在竖向方向上表现出足够的弹性(或者在紧固件的情况下具有扭转弹性)，以适应四个基准质量块的组在x轴或y轴次级振荡模式下的向平面外的运动，同时检测质量块731-734保持在xy平面内。因此，z轴次级模式的测量不会被在同时发生的x轴和/或y轴次级振荡中可能会产生的基准质量块运动轻易干扰。当检测质量块仅在xy平面中沿一个轴线运动时，也易于围绕检测质量块设计感应换能器。

可以在一个或更多个检测质量块中的开口内或者邻近一个或更多个检测质量块提供电容式感应换能器，以检测图7b中所示的径向z轴次级振荡模式。

检测质量块731-734也可以用于检测第二z轴次级振荡模式。角弹簧75和76再次促进了这种检测。图7c示出了第二z轴次级振荡模式中的一个相位，该相位在使用图2e中所示的第二初级振荡模式时出现。基准质量块711-714在相同切线方向上振荡。该切向振荡还将经由角弹簧75和76使检测质量块731-734切向振荡。

如图7c所示，检测质量块的切向振荡可以是线性运动和旋转运动的组合。检测质量块的悬架将决定旋转分量的强度。图7d示出了当检测质量块将以图7c中所示的第二z轴次级振荡模式移动时用于检测质量块的两种不同的悬架装置。

检测质量块731和732通过第一悬架弹簧741悬置，主要用于在两个切向锚定点752之间线性运动，第一悬架弹簧741在切向锚定点752之间的线性方向上表现出弹性。另一方面，检测质量块733和734通过第二悬架弹簧742悬置，以用于线性运动和旋转运动，第二悬架弹簧742允许在一定程度上围绕竖向轴线转动。如图7d中所示，用于检测质量块的这两种不同的悬架装置是出于说明目的，但是对于实际设备中的每个检测质量块而言，悬架通常是相同的。

此外，所有的角弹簧都具有径向弹性，但在切线方向上要刚硬得多，因此，四个基准质量块的组711-714的第二初级振荡模式不会使检测质量块731-734运动。与前面关于第一初级振荡模式的示例一样，检测质量块731-734将基本上保持静止，直到陀螺仪绕z轴旋转为止。当使用第二初级振荡模式时，检测质量块也可以与同步框架72断开连接，因此检测质量块的运动被限制在仅xy平面上。

图7d还示出了替代性的中央悬架装置，该中央悬架装置包括仅具有一个内部扭杆的万向节结构。

感应换能器可以连接至所有四个检测质量块731-734，并且可以从这些感应换能器的组合输出产生z轴感应信号。可以以减法执行读出，使得从质量块733和734测量的信号减去从质量块731和732测量的信号，反之亦然。

然而，也可以将感应换能器连接至仅两个检测质量块、例如731和734，并且通过求和或减法从这些感应换能器产生感应信号。在这种情况下，剩余的检测质量块可以用于例如在z轴上实现力反馈或在第二振荡模式下实现频率调节。然后，角弹簧将把该反馈和/或调节分配至所有四个检测质量块。

图8示出了更详细的陀螺仪结构，其中，附图标记811-814、831-834、85和86分别对应于图7a和图7b中的附图标记711-714、731-734、75和76。附图标记83和871-874对应于图4b和图4c中的附图标记43和471-474。图8还示出了基准质量块和检测质量块两者中的开口84，其中，可以放置驱动和/或感应换能器。中央悬架装置中的开口也可以用于此目的。例如，驱动换能器可以放置在拐角元件871-874与万向节框架之间。

Claims (5)

1.一种微机电陀螺仪，所述微机电陀螺仪包括形成四个基准质量块的组的第一基准质量块、第二基准质量块、第三基准质量块和第四基准质量块，其中，所述基准质量块在其静止位置围绕陀螺仪中心点对称布置，在所述陀螺仪中心点处，侧向轴线在设备平面内与横向轴线正交地相交，并且竖向轴线与所述侧向轴线和所述横向轴线两者正交地相交，

其中，所述第一基准质量块和第二基准质量块在其静止位置在所述侧向轴线上对准，并且所述第三基准质量块和第四基准质量块在其静止位置在所述横向轴线上对准，并且所述陀螺仪包括定位在所述陀螺仪中心点处的中央锚定点，

并且所述陀螺仪还包括一个或更多个驱动换能器和一个或更多个感应换能器，所述一个或更多个驱动换能器用于将所述四个基准质量块的组设置成初级振荡模式，所述一个或更多个感应换能器用于检测在所述陀螺仪分别绕所述竖向轴线、所述侧向轴线和/或所述横向轴线进行角旋转时由科里奥利力引起的所述四个基准质量块的组在z轴次级振荡模式、x轴次级振荡模式和/或y轴次级振荡模式下的振荡，

并且所述陀螺仪还包括用于将所述四个基准质量块的组从所述中央锚定点悬置的中央悬架装置，并且所述中央悬架装置围绕所述陀螺仪中心点定中心且比所述四个基准质量块的组更靠近所述陀螺仪中心点，并且所述四个基准质量块的组中的每个基准质量块附接至所述中央悬架装置，并且所述中央悬架装置灵活地适应所述初级振荡模式、所述z轴次级模式以及所述x轴次级模式和所述y轴次级模式，

其特征在于，所述陀螺仪还包括同步框架，所述同步框架围绕四个块的组的中心点定中心且定位成比所述四个基准质量块的组更远离所述陀螺仪中心点，并且所述四个基准质量块的组中的每个基准质量块通过一个或更多个框架悬架弹簧附接至所述同步框架，并且所述同步框架至少使所述x轴次级振荡模式和所述y轴次级振荡模式同步，

并且所述陀螺仪包括一起形成四个检测质量块的组的第一检测质量块、第二检测质量块、第三检测质量块和第四检测质量块，所述四个检测质量块的组在其静止位置围绕所述陀螺仪中心点对称布置，

其中，所述第一检测质量块和所述第二检测质量块在与所述侧向轴线和所述横向轴线以45度的角度相交且穿过所述陀螺仪中心点的第一对角轴线上对准，并且所述第三检测质量块和所述第四检测质量块在与所述第一对角轴线正交且穿过所述陀螺仪中心点的第二对角轴线上对准，

并且一个或更多个侧向角弹簧从侧向相邻的基准质量块延伸至每个检测质量块，并且一个或更多个横向角弹簧从横向相邻的基准质量块延伸至每个检测质量块，并且所述一个或更多个侧向角弹簧在侧向方向上是刚性的而在横向方向上是弹性的，并且所述一个或更多个横向角弹簧在所述横向方向上是刚性的而在所述侧向方向上是弹性的。

2.根据权利要求1所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述同步框架包括串联连接的四个正交的拐角元件，所述四个正交的拐角元件在其静止位置形成大致矩形形状，其中，每个拐角元件的两个端部通过铰链元件附接至两个相邻的所述拐角元件的端部，所述铰链元件允许所附接的拐角元件的相对于彼此的平面内旋转。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括外围悬架装置，所述外围悬架装置包括连接至两个外围锚定点的外围万向节结构，所述两个外围锚定点在所述侧向轴线或所述横向轴线上对准，

并且所述同步框架是内部同步框架，并且所述陀螺仪还包括外部同步框架，并且所述外围万向节结构包括两个侧向扭杆和两个横向扭杆，所述两个侧向扭杆在所述侧向轴线上对准以促进万向节绕所述侧向轴线的旋转，所述两个横向扭杆在所述横向轴线上对准以促进万向节绕所述横向轴线的旋转，其中，与所述外围锚定点在相同轴线上对准的两个扭杆从所述外部同步框架的相反两侧延伸至对应的外围锚定点，并且不与所述外围锚定点在相同轴线上对准的两个扭杆从所述内部同步框架的相反两侧延伸至所述外部同步框架。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述中央悬架装置包括连接至所述中央锚定点的中央万向节结构，并且所述中央万向节结构包括内部万向节框架和外部万向节框架、一个或更多个内部扭杆和两个外部扭杆，其中，所述内部扭杆从所述中央锚定点沿相反方向延伸至所述内部万向节框架，并且所述外部扭杆从所述内部万向节框架的相反两侧沿与所述内部扭杆正交的方向延伸至所述外部万向节框架。

5.根据权利要求4所述的微机电陀螺仪，其特征在于，所述中央悬架装置还包括串联连接的四个正交的拐角元件，所述四个正交的拐角元件围绕所述外部万向节框架，其中，所述拐角元件在其静止位置形成大致矩形形状，并且每个拐角元件的两个端部通过铰链元件附接至相邻的拐角元件的端部，所述铰链元件允许所附接的拐角元件的相对于彼此的平面内旋转，并且所述中央悬架装置还包括至少四个连接杆，其中，每个连接杆从所述外部万向节框架延伸至相邻的拐角元件的拐点，并且所述四个基准质量块的组中的每个基准质量块附接至相邻的铰链连接元件。

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