CN114166197A - 一种四质量双解耦的z轴硅微陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Z轴陀螺仪，具体是一种四质量的Z轴陀螺仪，每个质量块均为双解耦结构。本发明解决了现有音叉式Z轴陀螺仪振动噪声大的问题。一种四质量双解耦的Z轴硅微陀螺仪，包括玻璃基底、玻璃盖帽、四个驱动模块、四个复合质量块、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁；所述四个驱动模块的每个驱动模块包括一个半框驱动质量块、四个锚块、四根驱动梁、四根解耦梁、若干驱动梳齿电容；所述检测模块包括框架式检测质量块、两组检测梳齿电容、四根斜L型解耦梁、四根检测弹性支撑梁、两个锚块；所述两组杠杆式连接梁、每组包含一根杠杆，中心弹性支撑梁一根，弹性支撑梁两根。本发明适用于导航制导、无人机姿态控制等应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及Z轴陀螺仪，具体是一种四质量、双解耦的Z轴硅微陀螺仪
背景技术
陀螺仪是惯性导航系统、平台稳定系统等的核心敏感器件，广泛应用于军事武器、太空探测等领域，具有极其广泛的应用前景。这些应用往往存在非常恶劣的振动环境，现有的音叉式Z轴硅微陀螺仪虽然对线加速度信号不敏感，但在振动条件下噪声都会明显增大几十倍甚至上百倍，严重影响器件精度。因此有必要发明一种全新的Z轴陀螺仪，以解决现有音叉式Z轴陀螺仪振动噪声大的问题。
发明内容
本发明为了解决音叉式Z轴陀螺仪振动噪声大的问题，提供了一种四质量双解耦的Z轴硅微陀螺仪。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种四质量双解耦的Z轴硅微陀螺仪，其特征在于：包括玻璃基底、玻璃盖帽、四个驱动模块、四个复合质量块、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁；
四个驱动模块、四个复合质量块、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁位于玻璃基底的上方，位于玻璃盖板的下方；四个驱动模块、四个复合质量块、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁均与玻璃基底、玻璃盖板平行；四个驱动模块、四个复合质量块、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁的下表面与玻璃基底的上表面之间留有间隙；四个驱动模块、四个复合质量块、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁的上表面与玻璃盖板的下表面之间留有间隙；
所述四个驱动模块，每个驱动模块包括一个半框驱动质量块、四个锚块、四根驱动梁、四根解耦梁、若干驱动梳齿电容；所述半框驱动质量块与所述四根驱动梁相连，所述四根驱动梁的另一端通过所述四个锚块固定在玻璃基底上；所述半框驱动质量块与所述四根解耦梁相连；
所述四个复合质量块分别通过所述四根解耦梁与所述四个半框驱动质量块分别连接；所述四个复合质量块分别连接四根斜L型解耦梁；所述四个半框驱动质量块和所述四个复合质量块分别通过所述四根解耦梁相连，且分别在所述四根驱动梁和所述四根斜L型解耦梁的约束下可以沿x方向做线振动；
所述检测模块包括框架式检测质量块、两组检测梳齿电容、四根斜L型解耦梁、四根检测弹性支撑梁、两个锚块；所述框架式检测质量块与所述四根斜L型解耦梁连接，所述四根斜L型解耦梁为所述框架式检测质量块隔离所述复合质量块的x方向线振动；所述框架式检测质量块的两侧连接所述四根检测弹性支撑梁的一端，所述四根检测弹性支撑梁的另一端通过所述两个锚块固定在玻璃基底上；所述框架式检测质量块的内部有两组检测梳齿电容；
所述两组杠杆式连接梁，每组杠杆式连接梁包含一根杠杆，中心弹性支撑梁一根，两端弹性支撑梁两根；所述杠杆的中部与所述中心弹性支撑梁的一端相连，所述中心弹性支撑梁的另一端通过连接所述锚块固定在玻璃基底上；所述杠杆的两端分别连接所述两端弹性支撑梁的一端，所述两端弹性支撑梁的另一端分别连接所述半框式驱动质量块；所述两组几字型连接梁分别将左右两个所述半框式驱动质量块连接。
驱动质量块、复合质量块均有四个，检测质量块只有一个；陀螺仪工作时，驱动质量块、复合质量块一同沿x方向振动，且左右质量块、上下质量块振动相位相差180°(振动方向相反)；由于所述两组杠杆式连接梁分别连接上下驱动质量块，所述两组几字型连接梁分别连接左右驱动质量块，所以该驱动模态仅有一个谐振频率。
陀螺仪工作时，若有Z轴方向角速度输入，则四个复合质量块分别受到y方向科里奥利力，且由于四个复合质量块左右质量块、上下质量块驱动振动相位相差180°(振动方向相反)，则他们受到的科里奥利力方向也分别相反，从而检测振动方向也分别相反；四个复合质量块的y方向相向运动通过四个斜L型解耦梁拉扯所述检测质量块，使所述检测质量块产生x方向振动；四个复合质量块的任意同向运动，均无法引起检测质量块振动。
基于上述过程，与现有音叉式Z轴陀螺仪相比，本发明所述的一种四质量双解耦的Z轴硅微陀螺仪通过采用全新结构，实现了x轴、y轴方向上的全对称，和检测模块更好的抗振动特性。
本发明设计巧妙，用四质量结构有效解决了现有音叉式陀螺仪振动噪声大等问题，适用于智能炮弹导航制导、无人机姿态控制等高精度领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图中：1-玻璃基底，2-玻璃盖板，201a、201b、201c、201d、201e、201f、201g、201h-驱动梳齿电容，202a、202b-检测梳齿电容，301a、301b、301c、301d、301e、301f、301g、301h、301i、301j、301k、301l、301m、301n、301o、301p-解耦梁，302a、302b、302c、302d、302e、302f、302g、302h、302i、302j、302k、302l、302m、302n、302o、302p-驱动梁，303a、303b-几字型连接梁，304a、304b、304c、304d-斜L型解耦梁，305a、305b、305c、305d-检测弹性支撑梁，310a、310b、310c、310d-(杠杆)两端弹性支撑梁，311a、311b-杠杆，312a、312b-(杠杆)中心弹性支撑梁，401a、401b、401c、401d-半框驱动质量块，402a、402b、402c、402d-复合质量块，403-框架式检测质量块，501a、501b、501c、501d、501e、501f、501g、501b、501i、501j、501k、501l、501m、501n-(驱动)锚块，502a、502b-(检测)锚块。
具体实施方式
一种四质量双解耦的Z轴硅微陀螺仪，包括玻璃基底1，玻璃盖帽2，四个驱动模块，四个复合质量块402a、402b、402c、402d，一个检测模块，两组杠杆式连接梁，两组几字型连接梁303a、303b；
四个驱动模块，四个复合质量块402a、402b、402c、402d，一个检测模块，两组杠杆式连接梁，两组几字型连接梁303a、303b位于玻璃基底1的上方，位于玻璃盖板2的下方；四个驱动模块，四个复合质量块402a、402b、402c、402d，一个检测模块，两组杠杆式连接梁，两组几字型连接梁303a、303b均与玻璃基底1，玻璃盖板2平行；四个驱动模块，四个复合质量块402a、402b、402c、402d，一个检测模块，两组杠杆式连接梁，两组几字型连接梁303a、303b的下表面与玻璃基底1的上表面之间留有间隙；四个驱动模块，四个复合质量块402a、402b、402c、402d，一个检测模块，两组杠杆式连接梁，两组几字型连接梁303a、303b的上表面与玻璃盖板2的下表面之间留有间隙；
所述四个驱动模块，每个驱动模块包括一个半框驱动质量块401a或401b或401c或401d，四个锚块501a、501b、501c、501d(共用)或501d(共用)、501e、501f、501g或501h、501i、501j、501k(共用)或501k(共用)、501l、501m、501n，四根驱动梁302a、302b、302c、302d或302e、302f、302g、302h或302i、302j、302k、302l或302m、302n、302o、302p，四根解耦梁301a、301b、301c、301d或301e、301f、301g、301h或301i、301j、301k、301l或301m、301n、301o、301p，若干驱动梳齿电容201a、201b或201c、201d或201e、201f或201g、201h；所述半框驱动质量块401a或401b或401c或401d与所述四根驱动梁302a、302b、302c、302d或302e、302f、302g、302h或302i、302j、302k、302l或302m、302n、302o、302p相连，所述四根驱动梁302a、302b、302c、302d或302e、302f、302g、302h或302i、302j、302k、302l或302m、302n、302o、302p的另一端通过所述四个锚块501a、501b、501c、501d(共用)或501d(共用)、501e、501f、501g或501b、501i、501j、501k(共用)或501k(共用)、501l、501m、501n固定在玻璃基底1上；所述半框驱动质量块401a或401b或401c或401d与所述四根解耦梁301a、301b、301c、301d或301e、301f、301g、301h或301i、301j、301k、301l或301m、301n、301o、301p相连；
所述四个复合质量块402a、402b、402c、402d分别通过所述四根解耦梁301a、301b、301c、301d或301e、301f、301g、301h或301i、301j、301k、301l或301m、301n、301o、301p与所述四个半框驱动质量块401a、401b、401c、401d分别连接；所述四个复合质量块402a、402b、402c、402d分别连接四根斜L型解耦梁304a、304b、304c、304d；所述四个半框驱动质量块401a、401b、401c、401d和所述四个复合质量块402a、402b、402c、402d分别通过所述四根解耦梁301a、301b、301c、301d或301e、301f、301g、301h或301i、301j、301k、301l或301m、301n、301o、301p相连，且分别在所述四根驱动梁302a、302b、302c、302d或302e、302f、302g、302h或302i、302j、302k、302l或302m、302n、302o、302p和所述四根斜L型解耦梁304a、304b、304c、304d的约束下可以沿x方向做线振动；
所述检测模块包括框架式检测质量块403，两组检测梳齿电容202a、202b，四根斜L型解耦梁304a、304b、304c、304d，四根检测弹性支撑梁305a、305b、305c、305d，两个锚块502a、502b；所述框架式检测质量块403与所述四根斜L型解耦梁304a、304b、304c、304d连接，所述四根斜L型解耦梁304a、304b、304c、304d为所述框架式检测质量块403隔离所述复合质量块402a、402b、402c、402d的x方向线振动；所述框架式检测质量块403的两侧连接所述四根检测弹性支撑梁305a、305b、305c、305d的一端，所述四根检测弹性支撑梁305a、305b、305c、305d的另一端通过所述两个锚块502a、502b固定在玻璃基底1上；所述框架式检测质量块403的内部有两组检测梳齿电容202a、202b；
所述两组杠杆式连接梁，每组杠杆式连接梁包含一根杠杆311a或311b，中心弹性支撑梁一根312a或312b，两端弹性支撑梁两根310a、310d或310b、310c；所述杠杆311a的中部与所述中心弹性支撑梁312a的一端相连，所述中心弹性支撑梁312a的另一端通过连接所述锚块502a固定在玻璃基底1上；所述杠杆311a的两端分别连接所述两端弹性支撑梁310a、310d的一端，所述两端弹性支撑梁310a、310d的另一端分别连接所述半框式驱动质量块401a、401d；与之完全对称的，所述杠杆311b的中部与所述中心弹性支撑梁312b的一端相连，所述中心弹性支撑梁312b的另一端通过连接所述锚块502b固定在玻璃基底1上；所述杠杆311b的两端分别连接所述两端弹性支撑梁310b、310c的一端，所述两端弹性支撑梁310b、310c的另一端分别连接所述半框式驱动质量块401b、401c；
所述两组几字型连接梁303a、303b分别将所述半框式驱动质量块401a和401b、401c和401d连接。
具体实施时，驱动质量块、复合质量块一同沿x方向振动，且左右质量块、上下质量块振动相位相差180°(振动方向相反)，即若定义驱动质量块401a和复合质量块402a为A模块，驱动质量块401b和复合质量块402b为B模块，驱动质量块401c和复合质量块402c为C模块，驱动质量块401d和复合质量块402d为D模块，则A模块向左运动时，B模块向右运动，C模块向左运动，D模块向右运动。由于所述两组杠杆式连接梁分别连接驱动质量块401a和401d，驱动质量块40ba和401c；所述两组几字型连接梁303a、303b分别连接所述驱动质量块401a和401b，驱动质量块401c和401d；所以该驱动模态仅有一个谐振频率。陀螺仪工作时，若有Z轴方向角速度输入，则复合质量块402a、402b、402c、402d分别受到y方向科里奥利力，且由于四个复合质量块左右质量块、上下质量块驱动振动相位相差180°(振动方向相反)，则他们受到的科里奥利力方向也分别相反，从而检测振动方向也分别相反，即复合质量块402a向下振动时，复合质量块402d向上振动，复合质量块402c向下振动，复合质量块402b向上振动；四个复合质量块的y方向相向运动通过四个斜L型解耦梁拉扯所述检测质量块403，使所述检测质量块403产生x方向振动；而四个复合质量块402a、402b、402c、402d的任意同向运动，均无法引起检测质量块403振动。
Claims (4)
1.一种四质量双解耦的Z轴硅微陀螺仪，其特征在于：包括玻璃基底(1)、玻璃盖帽(2)、四个驱动模块、四个复合质量块(402a、402b、402c、402d)、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁(303a、303b)；
四个驱动模块、四个复合质量块(402a、402b、402c、402d)、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁(303a、303b)位于玻璃基底(1)的上方，位于玻璃盖板(2)的下方；四个驱动模块、四个复合质量块(402a、402b、402c、402d)、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁(303a、303b)均与玻璃基底(1)、玻璃盖板(2)平行；四个驱动模块、四个复合质量块(402a、402b、402c、402d)、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁(303a、303b)的下表面与玻璃基底(1)的上表面之间留有间隙；四个驱动模块、四个复合质量块(402a、402b、402c、402d)、一个检测模块、两组杠杆式连接梁、两组几字型连接梁(303a、303b)的上表面与玻璃盖板(2)的下表面之间留有间隙；
所述四个驱动模块，每个驱动模块包括一个半框驱动质量块(401a或401b或401c或401d)、四个锚块(501a、501b、501c、501d(共用)或501d(共用)、501e、501f、501g或501h、501i、501j、501k(共用)或501k(共用)、501l、501m、501n)、四根驱动梁(302a、302b、302c、302d或302e、302f、302g、302h或302i、302j、302k、302l或302m、302n、302o、302p)、四根解耦梁(301a、301b、301c、301d或301e、301f、301g、301h或301i、301j、301k、301l或301m、301n、301o、301p)、若干驱动梳齿电容(201a、201b或201c、201d或201e、201f或201g、201h)；所述半框驱动质量块(401a或401b或401c或401d)与所述四根驱动梁(302a、302b、302c、302d或302e、302f、302g、302h或302i、302j、302k、302l或302m、302n、302o、302p)相连，所述四根驱动梁(302a、302b、302c、302d或302e、302f、302g、302h或302i、302j、302k、302l或302m、302n、302o、302p)的另一端通过所述四个锚块(501a、501b、501c、501d(共用)或501d(共用)、501e、501f、501g或501h、501i、501j、501k(共用)或501k(共用)、501l、501m、501n)固定在玻璃基底(1)上；所述半框驱动质量块(401a或401b或401c或401d)与所述四根解耦梁(301a、301b、301c、301d或301e、301f、301g、301h或301i、301j、301k、301l或301m、301n、301o、301p)相连；
所述四个复合质量块(402a、402b、402c、402d)分别通过所述四根解耦梁(301a、301b、301c、301d或301e、301f、301g、301h或301i、301j、301k、301l或301m、301n、301o、301p)与所述四个半框驱动质量块(401a、401b、401c、401d)分别连接；所述四个复合质量块(402a、402b、402c、402d)分别连接四根斜L型解耦梁(304a、304b、304c、304d)；所述四个半框驱动质量块(401a、401b、401c、401d)和所述四个复合质量块(402a、402b、402c、402d)分别通过所述四根解耦梁(301a、301b、301c、301d或301e、301f、301g、301h或301i、301j、301k、301l或301m、301n、301o、301p)相连，且分别在所述四根驱动梁(302a、302b、302c、302d或302e、302f、302g、302h或302i、302j、302k、302l或302m、302n、302o、302p)和所述四根斜L型解耦梁(304a、304b、304c、304d)的约束下可以沿x方向做线振动；
所述检测模块包括框架式检测质量块(403)、两组检测梳齿电容(202a、202b)、四根斜L型解耦梁(304a、304b、304c、304d)、四根检测弹性支撑梁(305a、305b、305c、305d)、两个锚块(502a、502b)；所述框架式检测质量块(403)与所述四根斜L型解耦梁(304a、304b、304c、304d)连接，所述四根斜L型解耦梁(304a、304b、304c、304d)为所述框架式检测质量块(403)隔离所述复合质量块(402a、402b、402c、402d)的x方向线振动；所述框架式检测质量块(403)的两侧连接所述四根检测弹性支撑梁(305a、305b、305c、305d)的一端，所述四根检测弹性支撑梁(305a、305b、305c、305d)的另一端通过所述两个锚块(502a、502b)固定在玻璃基底(1)上；所述框架式检测质量块(403)的内部有两组检测梳齿电容(202a、202b)；
所述两组杠杆式连接梁，每组杠杆式连接梁包含一根杠杆(311a或311b)，中心弹性支撑梁一根(312a或312b)，两端弹性支撑梁两根(310a、310d或310b、310c)；所述杠杆(311a)的中部与所述中心弹性支撑梁(312a)的一端相连，所述中心弹性支撑梁(312a)的另一端通过连接所述锚块(502a)固定在玻璃基底(1)上；所述杠杆(311a)的两端分别连接所述两端弹性支撑梁(310a、310d)的一端，所述两端弹性支撑梁(310a、310d)的另一端分别连接所述半框式驱动质量块(401a、401d)；与之完全对称的，所述杠杆(311b)的中部与所述中心弹性支撑梁(312b)的一端相连，所述中心弹性支撑梁(312b)的另一端通过连接所述锚块(502b)固定在玻璃基底(1)上；所述杠杆(311b)的两端分别连接所述两端弹性支撑梁(310b、310c)的一端，所述两端弹性支撑梁(310b、310c)的另一端分别连接所述半框式驱动质量块(401b、401c)；
所述两组几字型连接梁(303a、303b)分别将所述半框式驱动质量块(401a和401b)、(401c和401d)连接。
2.根据权利要求1所述的一种四质量双解耦的Z轴硅微陀螺仪，其特征在于：驱动质量块(401a、401b、401c、401d)、复合质量块(402a、402b、402c、402d)均有四个，检测质量块(403)只有一个；陀螺仪工作时，驱动质量块、复合质量块一同沿x方向振动，且左右质量块、上下质量块振动相位相差180°(振动方向相反)，即若定义驱动质量块(401a)和复合质量块(402a)为A模块，驱动质量块(401b)和复合质量块(402b)为B模块，驱动质量块(401c)和复合质量块(402c)为C模块，驱动质量块(401d)和复合质量块(402d)为D模块，则A模块向左运动时，B模块向右运动，C模块向左运动，D模块向右运动，即A、B模块向外运动时，C、D模块向内运动，反之亦然。
3.根据权利要求1所述的一种四质量双解耦的Z轴硅微陀螺仪，其特征在于：由于所述两组杠杆式连接梁分别连接驱动质量块(401a和401d)、驱动质量块(40ba和401c)；所述两组几字型连接梁(303a、303b)分别连接所述驱动质量块(401a和401b)、驱动质量块(401c和401d)，所以该驱动模态仅有一个谐振频率。
4.根据权利要求1所述的一种四质量双解耦的Z轴硅微陀螺仪，其特征在于：陀螺仪工作时，若有Z轴方向角速度输入，则复合质量块(402a、402b、402c、402d)分别受到y方向科里奥利力，且由于四个复合质量块左右质量块、上下质量块驱动振动相位相差180°(振动方向相反)，则他们受到的科里奥利力方向也分别相反，从而检测振动方向也分别相反，即复合质量块(402a)向下振动时，复合质量块(402d)向上振动，复合质量块(402c)向下振动，复合质量块(402b)向上振动；四个复合质量块的y方向相向运动通过四个斜L型解耦梁拉扯所述检测质量块(403)，使所述检测质量块(403)产生x方向振动；值得说明的是，四个复合质量块(402a、402b、402c、402d)的任意同向运动，均无法引起检测质量块(403)振动。
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