CN1148564C - 陀螺 - Google Patents

Abstract

一种用于检测至少两条轴线之速率的陀螺，包含有：基本为平面的谐振器，该谐振器基本呈环形或圈形结构；载体模型驱动装置，使谐振器以Cosn₁θ面内载体模型产生振动，其中n₁为2或更大的整数，θ为环形或圈形结构相对于固定基准转过的角位置；支承装置，柔性支承谐振器并且使谐振器能够相对于支承装置振动，该振动是对载体模型驱动装置产生的响应；载体模型拾取装置，检测谐振器的面内运动；X轴向响应模型拾取装置，检测随陀螺绕X轴旋转时谐振器的面外Cosnθ响应模型运动，其中n取值为n₁+1或n₁-1；以及Y轴向响应模型拾取装置，检测随陀螺绕Y轴旋转时谐振器的面外Sinnθ响应模型运动，并排除与cosθ和sinθ面外振动模型相结合的cos2θ面内振动模型，其中n取值为n₁+1或n₁-1，与X轴响应模型的取值相同。

Description

陀螺

技术领域

本发明涉及一种陀螺，其适用于检测至少两条轴线的速率、优选的是三条轴线的速率。

背景技术

振动结构陀螺可通过将多种不同结构作为谐振元件来加以制造。这些结构包括梁、音叉、圆筒、半球壳以及环。成功的商业开发有赖于优化设备性能并尽量缩减成本。对于某些应用而言，另外一个目标是减小设备的体积。

一些传统的振动结构陀螺设计方案适合于采用现代微机械技术加以制造。它们可由块硅、多晶硅或电子成型金属构造而成。这些制造方法为实现低成本地大量生产微型陀螺提供了可能。

陀螺仪器的许多应用要求对全部三条轴线都具有速率敏感性。传统的振动结构陀螺只对单一轴线具有速率敏感性，因此需要有三个设备沿正交轴线相互对准。

例如，传统型单轴陀螺公开于：G C Newton爵士发表于IEEE自动控制会刊第AC-10卷，1965年7月第3期，第235至243页的文章“一种基于声波相互作用的速率陀螺”；专利文献GB-A-2154739，EP-A-0461761，以及EP-A-0729010。在以上四份参考文献中所公开的陀螺均为单轴设备，不具备任何多轴检测能力。

在上述“一种基于声波相互作用的速率陀螺”一文中描述了一种单轴陀螺设计方案，其内含有如图6所示的固体环形结构，该结构具有四个直的支架或支杆，它们以90度角间隔与该环的下表平面垂直相连。支架装设在所用振动模型的节点处，当模型偶之一的节点是其互余模型的反节点时，在所述面内与面外模型偶之间形成分频。因此该文件的图2和图3中所示的X波和P波被支架形成分频，使得该结构不能用做多轴检测器。

GB-A-2154739公开了一种压电陶瓷盘形结构，它采用面内扩张模型或膨胀模型来构成单轴陀螺。

EP-A-0461761和EP-A-0729010都描述了采用平面环形结构的单轴陀螺，其具体形式是由八个支架支承的平面环形谐振器。这些支架的数量和周期被设定成与所用Cos2θ振动模型的对称性相匹配，使基本模型和次级模型的频率能够精确匹配。这些支架结构不适于使其它面内或面外振动模型偶的频率相匹配，因此不能用于构成检测至少两条轴线之速率的陀螺。

US-A-3206985公开了用于对一个物体绕若干条相互垂直轴线的运动进行同时检测的设备。该设备包含由环状驱动元件14组成的压电陶瓷超环面或环形结构13，这些驱动元件14在环内侧安装在弹性支承15上、在环外侧安装在梁状双压电晶片传感元件27上，该元件27连接在环14的外圆周表面。环14以扩张或胀缩式模型振动，其外直径的模量大小使得：当绕任意轴线施加角速率时，传感元件27产生科里奥利力(地球偏转力)，该力激励它们产生谐振。由这些传感元件27所产生的信号可用于给出对三条轴线的速率敏感度。在单个整体环形结构中所用的挠性振动模型对于检测至少两条轴线的速率是没有用的。

因此，与能够固有地同时对三条轴线进行检测的谐振器合为一体的振动结构陀螺会大有益处。这样可用单一设备取代三个传统的单轴部件，具有明显的成本收益。并且，无需三个单轴陀螺的安装与对准过程。

发明内容

本发明的目的是，提供一种能够检测至少两条轴线之速率的改进型陀螺。

为实现上述目的，本发明提供了这样一种用于检测至少两条轴线之速率的陀螺，包含有：基本为平面的谐振器，该谐振器基本呈环形或圈形结构，其内外圆周环绕一条公共轴线延伸；载体模型驱动装置，位于谐振器圆周附近，使谐振器以Cosn₁θ面内载体模型产生振动，其中n₁为2或更大的整数，θ为环形或圈形结构相对于固定基准转过的角位置；支承装置，柔性支承谐振器并且使谐振器能够相对于支承装置振动，该振动是对载体模型驱动装置产生的响应；载体模型拾取装置，位于谐振器圆周附近，检测谐振器的面内运动；X轴向响应模型拾取装置，位于谐振器圆周附近，检测随陀螺绕X轴旋转时谐振器的面外Cosnθ响应模型运动，其中n取值为n₁+1或n₁-1；以及Y轴向响应模型拾取装置，位于谐振器圆周附近，检测随陀螺绕Y轴旋转时谐振器的面外Sinnθ响应模型运动，并排除与cosθ和sinθ面外振动模型相结合的cos2θ面内振动模型，其中n取值为n₁+1或n₁-1，与X轴响应模型的取值相同。

优选地，该陀螺包含有X轴响应模型驱动装置，用于抵消谐振器的X轴响应模型运动，以使陀螺能够以强迫反馈方式运转。

优选地，该陀螺包含有Y轴响应模型驱动装置，用于抵消谐振器的Y轴响应模型运动，以使陀螺能够以强迫反馈方式运转。

对于检测两条轴线的速率，优选的是：支承装置含有若干将谐振器柔性连接到基座的柔性支架，支架的数目N_T由N_T＝4n给出，支架之间的角度间隔为360/N_T度。

对于检测三条轴线的速率，优选的是：陀螺包含Z轴响应模型拾取装置，用于检测谐振器的面内Sinn₁θ响应模型运动，该运动是随陀螺绕Z轴旋转而产生的，其中n₁取值为2或更大的整数，与载体面内模型的取值相等。

优选地，用于检测三条轴线之速率的陀螺含有Z轴响应模型驱动装置，用于抵消谐振器的Z轴响应模型运动，以使陀螺能够以强迫反馈方式运转。

优选地，支承装置含有若干将谐振器柔性连接到基座的柔性支架，支架的数目N_T由N_T＝4nn₁给出，支架之间的角度间隔为360/N_T度。

优选地，在本发明的用于检测两条轴线之速率的陀螺中，载体模型为面内Cos2θ模型，载体模型驱动装置含有两个驱动元件，用于使载体模型产生初始运动，位于谐振器面内与固定参考轴成0度和180度的位置，载体模型拾取装置包含两个拾取元件，用于检测载体模型运动，位于与固定参考轴成90度和270度的位置，其中X轴响应模型为Cos3θ模型，X轴拾取装置包含三个拾取元件，位于与固定参考轴成0度、120度和240度的位置，X轴驱动装置包含三个驱动元件，位于与固定参考轴成60度、180度和300的位置；其中Y轴响应模型为Sin3θ模型，Y轴拾取装置包含三个拾取元件，位于与固定参考轴成30度、150度和270度的位置，Y轴驱动装置包含三个驱动元件，位于与固定参考轴成90度、210度、330的位置，X轴、Y轴驱动与拾取元件可受控检测及抵消响应模型运动。

或者，载体模型也可以是面内Cos3θ模型，载体模型驱动装置含有三个驱动元件，位于谐振器面内与固定参考轴成0度、120度和240度的位置；载体模型拾取装置包含三个拾取元件，位于与固定参考轴成60度、180度和300度的位置；其中X轴响应模型为Cos2θ模型，X轴拾取装置包含两个拾取元件，位于与固定参考轴成0度和180度的位置，X轴驱动装置包含两个驱动元件，位于与固定参考轴成90度和270度的位置；其中Y轴响应模型为Sin2θ模型，Y轴拾取装置包含两个拾取元件，位于与固定参考轴成45度和225度的位置，Y轴驱动装置包含两个驱动元件，位于与固定参考轴成135度和315度的位置。

方便地，载体模型也可为面内Cos3θ模型，载体模型驱动装置含有三个驱动元件，位于谐振器面内与固定参考轴成0度、120度和240度的位置，载体模型拾取装置包含三个拾取元件，位于与固定参考轴成60度、180度和300度的位置；其中X轴响应模型为Cos4θ模型，X轴拾取装置包含四个拾取元件，位于与固定参考轴成0度、90度、180度、270度的位置，X轴驱动装置包含四个驱动元件，位于与固定参考轴成45度、135度、225度、315度的位置；其中Y轴响应模型为Sin4θ模型，Y轴拾取装置包含四个拾取元件，位于与固定参考轴成22.5度、112.5度、202.5度、229.5度的位置，Y轴驱动装置包含四个驱动元件，位于与固定参考轴成67.5度、157.5度、247.5度、337.5度的位置。

优选地，用于检测三条轴线之速率的陀螺还包含有Z轴响应模型拾取装置，用于检测谐振器的面内Sin2θ响应模型运动，Z轴拾取装置包含两个拾取元件，位于与固定参考轴成45度和225度的位置；并且还包含有Z轴响应模型驱动装置，其具有两个驱动元件，位于与固定参考轴成135度和315度的位置。

优选地，用于检测三条轴线之速率的陀螺包含有Z轴响应模型拾取装置，用于检测谐振器的面内Sin3θ响应模型运动，Z轴拾取装置包含三个拾取元件，位于与固定参考轴成90度、210度和330度的位置；并且还包含有Z轴响应模型驱动装置，其具有三个驱动元件，位于与固定参考轴成30度、150度和270度的位置。

优选地，谐振器由金属、石英、多晶硅或块硅制成。

优选地，驱动装置与拾取装置为静电、电磁、压电或光学装置。

附图说明

为了更好地理解本发明并展示如何将本发明投入实际应用，下面将借助示例并参照附图加以说明，附图中：

图1a是不同于本发明的振动结构陀螺的示意图；

图1b示出了图1a结构中速率矢量、旋转矢量、力矢量所在的三条正交轴线；

图2a和2b示出了模型偶的形状，其表现为Cosn₁θ和Sinn₁θ径向位移，其中n₁＝2；

图3a和3b是与图2a和2b相似的图示形状，其中n₁＝3；

图4a和4b是与图2a和2b、图3a和3b相似的图示，其中n₁＝4；

图5a和5b图解表示了由本发明之陀螺绕Y轴旋转而在三条轴线上所产生的分力，其模型为Cos2θ面内载体模型；

图6a和6b是与图5a和5b相似的图示，只是绕X轴旋转；

图7a和7b是模型形状在三条轴线上的图解表示，其表现为Cosnθ和Sinnθ面外位移，其中n＝1；

图8a和8b是与图7a和7b相似的图示，但n＝2；

图9a和9b是与图8a和8b相似的图示，但n＝3；

图10a和10b是与图9a和9b相似的图示，但n＝4；

图11a以平面图示出了适用于本发明陀螺中的谐振器与支架的图例；

图11b以平面图示出了本发明陀螺所使用的另一种谐振器与支架结构；

图12为根据本发明第一实施例的陀螺的局部平面示意图，示出了驱动元件与拾取元件；

图13是沿图12结构之对角线的横截面图，示出了其它细部；

图14是根据本发明第二实施例的陀螺的局部平面示意图；

图15是根据本发明第三实施例的陀螺的局部平面示意图；

图16是根据本发明第四实施例的陀螺的局部平面示意图；

图17是根据本发明第五实施例的陀螺的局部平面示意图；以及

图18是根据本发明第六实施例的陀螺的局部平面示意图。

具体实施方式

所有传统型振动结构陀螺设计的共同特点是它们都保持简谐式载体模型振荡。当陀螺绕适当轴线旋转时，其提供了产生科里奥利力Fc的线性动量。该力的大小由下式给出：

    Fc＝2Ωmv                     ...(1)

其中Ω是所施加的速率，m是质量，v是线性速率。沿相互正交轴线分布的速率矢量、旋转矢量和力矢量如附图1a和1b所示。

振动结构陀螺的最简单实现方式之一是图1a中所示的梁1。载体模型振动是如图1a和1b所示的在XZ平面内的挠曲运动。梁1绕其轴线(z轴)的旋转将产生科里奥利力，该力使梁1在YZ平面内以载体频率产生运动。沿该轴的运动幅度与所施加的旋转速率成正比。通过对结构进行设计从而使科里奥利力直接激发谐振模型，可以增强这种设备的敏感度。于是运动的振幅被响应模型的Q所放大。对于由各向同性材料制成的简单梁来说，利用X向与Y向尺寸相同的正方形截面的梁可实现这一点。

绕Y轴的旋转也将在梁1中产生科里奥利力。这些力沿梁的长度(Z轴)方向作用。梁在该方向是非常刚硬的，因此对这些力不敏感。然而沿单一轴线的这种简单线性振动能够对绕两条轴线的旋转产生响应。要基于这些响应来制成实际陀螺，就需要设计一谐振器，它能够使这些科里奥利分力沿适当轴线直接耦合形成响应模型。

为了制造能够沿三条轴线检测速率的陀螺，载体模型运动必须含有沿两条正交轴线的速率分量。必须将其结构设计成使得由绕每条轴线旋转所产生的科里奥利力耦合形成响应模型，其谐振频率可能与载体的谐振频率相匹配。采用Cosn₁θ面内载体模型的平面环形结构尤其适合于这种用途(其中θ是环的圆周相对于固定基准转过的角位置，n₁取值为2或更大的固定整数)。n₁＝1模型不是一种合适的载体，由于它是环形谐振器的刚体变换，因此只具有沿单一轴线的速度分量。

对于理想的环形谐振器结构，Cosn₁θ面内振动模型是以相互成(90/n₁)度角的简并偶形式存在。模型图中θ＝0度的参考轴R是沿Y轴的正向。利用该固定参考轴，模型偶的形状表现为Cosn₁θ及Sinn₁θ径向位移。n₁＝2时的模型形状示于图2a和2b中。在单振动循环过程中，对模型偶的每个模型示出了与未激励环位置之间的两个最大位移极点。对于半径为1.0(任意单位)的环，各轴线表示出与未激励的环位置之间的位移。模型处在相互夹角为45度之处。n₁＝3时模型的形状同样地示于图3a和3b中。这些模型位于相互夹角为30度之处。图4a和4b示出了n₁＝4时相应的模型形状，其位于夹角为22.5度之处。

采用能够沿单一轴线感应速率的环形结构的振动结构陀螺设计方案已广为人知。这些陀螺利用面内Cosn₁θ(典型为n₁＝2)模型偶之一作为载体。绕着垂直于环所在平面(Z轴)之轴线的旋转将能量耦合到模型偶的第二模型，所产生的运动振幅与所施加的速率成正比。

使用这些载体模型，绕着位于环所在平面内之轴线的旋转同样会产生科里奥利力。这些力沿Z轴作用，并趋于使环产生面外运动。这些力的分布将随角位置θ而改变，对于绕Y轴旋转来讲，Ω_Y由下式给出：

$F_c\left(\mathrm{\θ}\right)=F_{n_1+1}{\mathrm{\Ω}}_y\mathrm{Sin}(n_1+1)\mathrm{\θ}+F_{n_1-1}{\mathrm{\Ω}}_y\mathrm{Sin}(n_1-1)\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

参数Fn₁+1和Fn₁-1为常量，取决于环和支承装置的准确几何形状、材料以及n₁的值。因此面外科里奥利力的分量与Sin(n₁+1)θ和Sin(n₁-1)θ成正比。对于相同的载体模型，绕X轴的旋转将产生科里奥利力如下：

$F_c\left(\mathrm{\θ}\right)=F_{n_1+1}{\mathrm{\Ω}}_x\mathrm{Cos}(n_1+1)\mathrm{\θ}+F_{n_1-1}{\mathrm{\Ω}}_x\mathrm{Cos}(n_1-1)\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

在这种情况下，面外科里奥利力的分量与Cos(n₁+1)θ和Cos(n₁-1)θ成正比。例如对于图2a中所示载体为Cosn2θ面内模型的情况，绕Y轴的旋转将产生与Sinθ和Sin3θ成正比的分量。它们分别示于图6a和6b中。

面外模型的Z轴位移也表现为Cosnθ角度相关函数，就像面内模型一样，它们以相互成(90/n)度角的简并偶形式存在。n＝1的模型形状位于相互夹角为90度处(即Sinθ和Cosθ径向位移)，见图7a和7b所示。正如前述模型图一样，图中示出了运动的两个极点、虚线表示环的静态位置。n＝2、3和4时模型的相应图形分别示于图8a、8b，9a、9b，10a和10b中。

图5a和6a中所示的科里奥利力分量的函数形式与图7a和7b中所示的n＝1面外模型的函数形式精确匹配。同样，图5b和6b中所示的科里奥利力分量的形式与图9a和9b中所示的n＝3面外模型的形式精确匹配。明显地，由旋转所致的科里奥利力可直接激励产生这些模型。

方程式2和3的验证表明，当绕适当的轴线旋转时，任何Cosn₁θ面内载体模型可以与Cos(n₁+1)θ、Sin(n₁+1)θ、Cos(n₁-1)θ和Sin(n₁-1)θ面外载体模型耦合。为了在任意陀螺构造中实际应用，所产生的运动幅度必须尽可能大，以使陀螺的灵敏度最大。通过使载体模型频率与所选的一对面外响应模型相匹配可实现此目的。于是所合成的运动被响应模型振动的Q值放大。面内模型频率不受环的深度(即Z轴尺寸)变化所影响。面外模型频率则直接受该参数的影响，因而可单独对其进行调整。通过对环形谐振器以及支承结构的尺寸进行适当控制，有可能使Cosn₁θ面内载体频率或与Cos(n₁+1)θ及Sin(n₁+1)θ面外载体模型、或与Cos(n₁-1)θ及Sin(n₁-1)θ面外载体模型相匹配。因此有可能利用各种载体模型与响应模型相结合来设计多轴陀螺方案。

Cos2θ载体模型可耦合成Sinθ、Cosθ、Sin3θ和Cos3θ面外响应载体模型。它们分别示于图7a，7b，9a和9b中。根据本发明，利用Cos2θ载体模型与Sin3θ及Cos3θ响应模型相结合能够实现三轴速率检测器。

优选地，振动结构陀螺中的谐振器基本上为平面的，具有环形或圈形结构2，其内外圆周围绕公共轴线A延伸，该轴线A垂直于谐振器结构2所在平面内的固定参考轴线R，轴线R沿Y轴方向延伸。环结构由含有若干柔性支架3的支承装置来支承。当受驱动产生Cos2θ载体模型时，环和支架均产生运动。然而，与支架3相比，环2是非常刚硬的，且载体频率主要取决于环的尺寸。这有效地将谐振器与安装件隔绝开并且降低了对环境的敏感度。

Sinθ及Cosθ面外模型(图7a和7b)将使支架3产生明显的弯曲与应力，并且使环2产生不明显的扭曲。由于支架的柔性，在明显低于Cos2θ载体的频率处会自然产生该Cosθ模型。Sin3θ及Cos3θ响应模型(图9a和9b)使环产生较大的扭曲和应力。因而其自然模型频率显著高于Cosθ模型的频率。于是通过对支架与环的刚度之比进行适当调节，可使Cos2θ载体和Sin3θ及Cos3θ响应载体频率相匹配。这有助于维持陀螺的环境性能。

当使用面外Cosθ响应模型时，当环2绕输入转轴振荡时，支架3总是向支承结构传输非零扭矩。与此相反，如果选用适当数量的支架，则面外Sin3θ及Cos3θ响应模型不会向支承结构传输任何有效的反作用力。这对于n＞1的所有Cosnθ载体模型均成立。

本发明的实际陀螺可利用更高阶的面内载体模型来构造。Cos3θ面内模型(图3b)可用做载体，并且或者与Cos2θ及Sin2θ面外响应模型相结合、或者与Cos4θ及Sin4θ面外响应模型相结合。这些响应模型分别示于图8a、8b、10a和10b中。Cos4θ载体(图4a)可与Sin3θ、Cos3θ、Sin5θ和Cos5θ响应模型耦合。更高阶的相互组合也是可行的。然而实际上，实现更高阶的模型组合会变得越来越麻烦。模型形状逐渐变复杂并且需要大量分立的驱动元件与拾取元件，以对振动进行激励和检测。此外，支架3充作点弹簧质量，对模型频率产生扰动。这些支架的数量和位置必须与模型的对称性相匹配，以避免使简并模型产生分频。所需支架的数量随载体模型阶数的增加而迅速增加，因而使一些小型陀螺的设计方案不切实际。

根据本发明的三轴陀螺可利用Sin2θ及Cos2θ面内模型和Sin3θ及Cos3θ面外模型组合构造而成。该陀螺要求四种模型的频率相匹配(一个载体模型加上三个响应模型)。然而，对于一个匀厚的、完全对称的环2来说，Sin2θ与Cos2θ模型偶具有相同频率。类似地，Sin3θ与Cos3θ模型偶亦相互匹配。因而，由于具有高度对称性，实际上对谐振器的尺寸设计简化为只需使两个频率(即两个简并模型偶的频率)达到匹配。对于设计单轴运行的环形谐振器所通常采用的尺寸来说，Cos3θ面外模型与Cos2θ载体模型在频率相对精确匹配时自然产生。调整环的深度(Z轴尺寸)不会改变面内频率。然而它确实对面外频率有明显影响。因此通过适当调整单一环的尺寸可使Sin2θ、Cos2θ、Sin3θ和Cos3θ模型频率达到匹配。

根据模型动力学，支架3作为点弹簧质量作用于连接点，它们对模型频率产生差动扰动。为了防止分频并保持模型的位置不确定性，支架的个数和位置必须与模型对称性相匹配。对于任意Sinn₁θ与Cosn₁θ模型偶，就需要使用4n₁个等角间隔的支架(其中n₁大于等于2)。因此Sin2θ和Cos2θ面内模型需要8个等角间隔的支架。Sin3θ和Cos3θ面外模型需要12个支架来保持它们的不确定性。为使两对模型偶同时满足这一要求，意味着要使用24个支架，以15度角等间隔地围绕环2分布。这个数字是面内与面外支架数量的最小公倍数，并且对任意三轴陀螺模型组合可由下述表达式推导出来：

支架数量N_T＝n×n₁×4                         (4)

这些支架的角度间隔为(360/N_T)度。

对于平面环形谐振器结构，支架3被设计成使模型特征主要由环的特性来支配。这就要求支架与环本身相比，其径向和切向均为柔性的。许多种设计改型都有可能满足这些要求。图11a和11b示出了本发明一个实施例中所用24个支架结构的两种可能方案。这些设计方案需要使用更多数量的支架3。

所发明的振动结构陀螺可采用标准的制造与加工技术而构成。它们也适合于利用微机械技术来制造。无论制造过程如何，运行原理以及驱动与拾取取向是相等的。谐振器可采用具有适当机械特性的任何材料构造而成，包括金属、石英、多晶硅或块硅。可采用各种驱动装置来驱动环2产生振荡。包括静电、电磁、压电或光学装置。同样可利用静电、电磁、压电或光学拾取装置来确定运动的振幅。

优选的三轴陀螺实施例采用静电驱动与拾取装置。该实施例中驱动与拾取装置的取向示于图12。环2的位置由虚线表示。面内Cos2θ载体模型受驱动元件4的驱动产生振荡，该驱动元件4的有效中心位于环2外圆周相对于固定参考轴R成0度和180度之处。对于每个元件，面向环圆周且垂直于环2所在平面的元件表面构成电容器的一个极板，环圆周上的相向弧段则构成另外一个极板。环2相对于驱动元件4保持固定电位。以载体模型频率施加在驱动元件极板上的振荡电压将产生静电力，使环2产生振荡。用于载体模型的拾取元件5位于与固定参考轴R成90度和270度之处，同样与相向的环之弧段构成电容，当电容隙变化时用来检测环2的运动。拾取元件6位于与参考轴R成45度和225度之处，当陀螺绕Z轴旋转时用来检测面内Sin2θ响应模型的振幅。Z轴驱动元件7位于与R轴成135度和315度之处，可用于抵消模型运动，使陀螺能够以强迫反馈方式运转。当以这种方式运转时，抵消用的驱动力与所施加的速率成正比。这种运转方式的性能优于开环方式。

提供X轴速率敏感性的Cos3θ面外响应模型在围绕环圆周与R轴成0度、120度、180度、240度和300度位置为反节点。Y轴Sin3θ响应模型中是在与R轴成30度、90度、150度、210度和330度位置为反节点。驱动元件与拾取元件可以以任何合适的组合方式位于这些点附近。简便方式是将12个碟片形元件安置在环缘正下方，在所述碟片和环的底面与之平行相对的弧段之间形成电容。方便地，碟片应延伸超出环缘内外边沿。因此载体模型的面内运动将不改变有效碟片区域、并且不会被这些碟片形元件偶然检测到。位于0度、120度和240度的元件8用作X轴拾取元件。来自这些元件的信号是同相的、且可以方便地叠加起来以增强检测模型运动的敏感性。位于与R轴成60度、180度、300度位置的碟形元件9用作驱动元件，对这些元件施加相同的驱动电压使运动抵消，有助于以强迫反馈方式运行。同样，位于与R轴成30度、150度、270度位置的碟形元件10为Y轴拾取元件，位于与R轴成90度、210度、330度位置的碟形元件11构成该模型的驱动元件。

图13为沿Y轴通过谐振器环2之中心所做的剖视图，示出了该设备构造的其它细部。X轴与Y轴的驱动与拾取元件是设在电绝缘衬层12表面的导电体。这些元件经轨道与结合区(未示出)相连，该结合区与控制电路连通。环2经支架3与中央支承底座13相连。该底座从环2下面伸出并与衬层12刚性连接，使得环与支架自由地悬置在衬层上方。面内模型的驱动与拾取元件与衬层12刚性连接，并按需要带有轨道和结合区，从而能够与控制电路连通。

也可以对该结构进行改型。可在谐振器环2之上增加刚性固定的第二绝缘衬层，使面外驱动与拾取元件的电极阵列加倍，将会使陀螺沿X轴和Y轴的敏感性增强。然而，这将使制造过程复杂化且并不改变陀螺的基本设计特性或函数特性。

根据本发明的两轴陀螺可利用相同的Cos2θ面内载体模型和Sin3θ及Cos3θ面外响应模型来制造。对于该实施例，将谐振器设计为使面内Sin2θ及Cos2θ模型的频率被仔细分开。优点在于：该分频将使载体模型位置固定在一个已知的角位置，该位置可能与载体模型驱动与拾取装置对准。载体模型频率仍须与面外响应模型的频率相匹配。若使用12个支架3，能保持Cos3θ模型的对称性。然而这将使面内Sin2θ及Cos2θ模型产生分频，从而使模型位置按要求固定。一般地，对于两轴陀螺运行来说，所需支架的数量由下式给出：

支架数量N_T＝n×4                            (5)

其角间隔为[360/N_T]度。

该实例仅对X轴和Y轴具有速率敏感性。因此不需要面内响应模型驱动与拾取装置。图14展示了该实施例中陀螺布局的示意图。它与图12和13所示三轴实施例基本相同，只是缺少了Z轴面内响应模型驱动元件7和拾取元件6、以及支架的数目不同，因此使用了相同的附图标记，所以不再做进一步描述。

两轴或三轴陀螺可采用Sin3θ及Cos3θ面内模型与Sin2θ及Cos2θ面外响应模型组合制造而成。至于三轴实施例，必须既保持面内Sin3θ及Cos3θ模型偶、又保持面外Sin2θ及Cos2θ模型偶的简并性。这就要求在谐振器环2上采用24个支架3。图15为驱动与拾取元件的定位示意图。除驱动与拾取元件的布局外，陀螺的布局结构与前述实施例大体相同。Cos3θ面内载体驱动元件14位于与固定参考轴R成0度、120度、240度的位置，其拾取元件15位于与固定参考轴R成60度、180度、300度的位置。Z轴Sin3θ面内响应模型的驱动元件16位于与R轴成30度、150度、270度的位置，其拾取元件17位于与R轴成90度、210度、330度的位置。X轴面外Cos2θ响应模型拾取元件18位于与R轴成0度和180度的位置，其抵消驱动元件19位于与R轴成90度与270度的位置。Y轴面外Sin2θ拾取元件20位于与R轴成45度和225度位置，Y轴抵消驱动元件21位于与R轴成135度和315度的位置。

这种Cos3θ面内载体模型和面外Sin2θ及Cos2θ响应模型组合成的两轴实施例，需要提高面内模型的简并度。可以通过使用8个支架来实现这一目的。换句话说：该实施例与三轴实施例的区别仅在于省略了面内响应模型驱动元件16和拾取元件17。驱动与拾取元件的布局示于图16中。

本发明的两轴或三轴陀螺可采用Sin3θ及Cos3θ面内模型与Sin4θ及Cos4θ面外模型组合构造而成。三轴实施例需要用48个支架3，以使所有模型保持适当的对称性。图17中示意性图示了该实施例。Cos3θ面内载体模型驱动元件22位于与固定参考轴R成0度、120度和240度位置，而拾取元件23位于与R轴成60度、180度和300度位置。Z轴Sin3θ面内响应模型驱动元件24位于与R轴成30度、150度、270度的位置，Z轴Cos3θ面内模型拾取元件25位于与R轴成90度、210度和300度位置。

X轴Cos4θ面外响应模型拾取元件26位于与固定参考轴R成0度、90度、180度、270度位置，X轴Cos4θ面外响应模型抵消驱动元件27位于与R轴成45度、135度、225度和315度的位置。Y轴Sin4θ面外响应模型拾取元件28位于与R轴成22.5度、112.5度、202.5度、292.5度位置，Y轴Sin4θ面外响应模型抵消驱动元件29位于与R轴成67.5度、157.5度、247.5度和337.5度的位置。

本发明两轴陀螺的相应实施例需要有16个支架3。图18中所示的该实施例的布局与图17所示的三轴陀螺相同，只是省略了Z轴面内响应模型的驱动元件24和拾取元件25。对于相同的零件采用了与图17中相同的附图标记，在此不再详述。

两轴或三轴速率检测器可由更高阶的面内与面外模型组合制造而成。这就需要支架数量不断增加以保持必要的模型对称性，并且需要更多的驱动与拾取元件。尽管是可行的，但这些实施例的结果是使陀螺尤其是小型陀螺的制造变得越来越复杂。

此外，在本发明的用来检测两条轴线之速率的陀螺中，将谐振器2和支承装置的尺寸设计成使得Cosn₁θ面内载体模型和Sinnθ及Cosnθ面外响应模型的频率相匹配，而对于检测三条轴线之速率的陀螺来讲，将其尺寸设计成使得Cosn₁θ面内载体模型、Sinn₁θ面内响应模型和Sinnθ及Cosnθ面外响应模型的频率相匹配。

Claims (14)

1.一种用于检测至少两条轴线之速率的陀螺，包含有：基本为平面的谐振器(2)，该谐振器基本呈环形或圈形结构，其内外圆周环绕一条公共轴线延伸；载体模型驱动装置(4，14，22)，位于谐振器圆周附近，使谐振器(2)以Cosn₁θ面内载体模型产生振动，其中n₁为2或更大的整数，θ为环形或圈形结构相对于固定基准转过的角位置；支承装置(3)，柔性支承谐振器(2)并且使谐振器(2)能够相对于支承装置(3)振动，该振动是对载体模型驱动装置(4，14，22)产生的响应；载体模型拾取装置(5，15，23)，位于谐振器圆周附近，检测谐振器(2)的面内运动；X轴向响应模型拾取装置(8，18，26)，位于谐振器圆周附近，检测随陀螺绕X轴旋转时谐振器(2)的面外Cosnθ响应模型运动，其中n取值为n₁+1或n₁-1；以及Y轴向响应模型拾取装置(10，20，28)，位于谐振器圆周附近，检测随陀螺绕Y轴旋转时谐振器(2)的面外Sinnθ响应模型运动，并排除与cosθ和sinθ面外振动模型相结合的cos2θ面内振动模型，其中n取值为n₁+1或n₁-1，与X轴响应模型的取值相同。

2.如权利要求1所述的陀螺，其特征在于：包含有X轴响应模型驱动装置(9，19，27)，以抵消谐振器(2)的X轴响应模型运动，使陀螺以强迫反馈方式运转。

3.如权利要求2所述的陀螺，其特征在于，包含有Y轴响应模型驱动装置(11，21，29)，用于抵消谐振器(2)的Y轴响应模型运动，使陀螺以强迫反馈方式运转。

4.如权利要求3所述的陀螺，其特征在于：对于检测两条轴线的速率来讲，支承装置包含有若干个柔性支架(3)，支架的数量N_T由N_T＝4n给出，各支架(3)之间的夹角为360/N_T度。

5.如权利要求1所述的陀螺，其特征在于：对于检测三条轴线的速率来讲，包含有Z轴响应模型拾取装置(6，17，25)，用于检测随陀螺绕Z轴旋转时谐振器(2)的面内Sinn₁θ响应模型运动，其中n₁为2或更大的整数，与面内载体模型的取值相同。

6.如权利要求5所述的陀螺，其特征在于：包含有Z轴响应模型驱动装置(7，16，24)，用于抵消谐振器(2)的Z轴响应模型运动，使陀螺以强迫反馈方式运转。

7.如权利要求6所述的陀螺，其特征在于：支承装置包含有若干个柔性支架(3)，将谐振器柔性连接到支座(13)上，支架的数量N_T由N_T＝4nn₁给出，各支架(3)之间的夹角为360/N_T度。

8.如权利要求4所述的陀螺，用于检测两条轴线的速率，其特征在于：载体模型为面内Cos2θ模型，载体模型驱动装置包含两个用于使载体模型产生初始运动的驱动元件(4)，位于谐振器(2)所处平面内与固定参考轴(R)成0度和180度的位置，载体模型拾取装置包含两个拾取元件(5)，用于检测载体模型运动，位于与固定参考轴(R)成90度和270度的位置；X轴响应模型为Cos3θ模型，X轴拾取装置含有三个拾取元件(8)，分别位于与固定参考轴(R)成0度、120度和240度位置；X轴驱动装置含有三个驱动元件(9)，分别位于与固定参考轴(R)成60度、180度和300度位置；Y轴响应模型为Sin3θ模型，Y轴拾取装置包含有三个拾取元件(10)，分别位于与固定参考轴(R)成30度、150度和270度位置，Y轴驱动装置包含三个驱动元件(11)，分别位于与固定参考轴(R)成90度、210度和330度的位置，X轴与Y轴驱动与拾取元件(8，9，10，11)用来检测和抵消响应模型运动。

9.如权利要求4所述的陀螺，其特征在于：载体模型为面内Cos3θ模型，载体模型驱动装置包含三个驱动元件(14)，分别位于谐振器(2)所在平面内与固定参考轴成0度、120度和240度的位置，载体模型拾取装置包含三个拾取元件(15)，位于与固定参考轴(R)成60度、180度和300度的位置；X轴响应模型为Cos2θ模型，X轴拾取装置含有两个驱动元件(18)，位于与固定参考轴(R)成0度和180度的位置，X轴驱动装置包含两个驱动元件(19)，位于与固定参考轴(R)成90度和270度的位置；Y轴响应模型为Sin2θ模型，Y轴拾取装置包含有两个拾取元件(20)，位于与固定参考轴(R)成45度和225度之处，Y轴驱动装置包含两个驱动元件(21)，位于与固定参考轴(R)成135度和315度之处。

10.如权利要求4所述的陀螺，其特征在于：载体模型为面内Cos3θ模型，载体模型驱动装置包含三个驱动元件(22)，位于谐振器(2)所在平面内与固定参考轴(R)成0度、120度和240度的位置，载体模型拾取装置包含三个拾取元件(23)，分别位于与固定参考轴(R)成60度、180度和300度的位置；X轴响应模型为Cos4θ模型，X轴拾取装置含有四个驱动元件(26)，位于与固定参考轴(R)成0度、90度、180度、270度之处，X轴驱动装置包含四个驱动元件(27)，位于与固定参考轴(R)成45度、135度、225度和315度之处；Y轴响应模型为Sin4θ模型，Y轴拾取装置包含有四个拾取元件(28)，位于与固定参考轴(R)成22.5度、112.5度、和292.5度之处，Y轴驱动装置包含四个驱动元件(29)，位于与固定参考轴(R)成67.5度、157.5度、247.5度和337.5度之处。

11.如权利要求8所述的陀螺，用于检测三条轴线的速率，其特征在于：包含有Z轴响应模型拾取装置，用于检测谐振器(2)的面内Sin2θ响应模型运动，Z轴拾取装置包含两个拾取元件(6)，位于与固定参考轴(R)成45度和225度之处；还包含有Z轴响应模型驱动装置，其含有两个驱动元件(7)，分别位于与固定参考轴(R)成135度和315度的位置。

12.如权利要求9所述的陀螺，用于检测三条轴线的速率，其特征在于：包含有Z轴响应模型拾取装置，用于检测谐振器的面内Sin3θ响应模型运动，该Z轴拾取装置包含三个拾取元件(17)，位于与固定参考轴(R)成90度、210度和330度之处；并且包含有Z轴响应模型驱动装置，其具有三个驱动元件(16)，分别位于与固定参考轴(R)成30度、150度和270度的位置。

13.如权利要求1所述的陀螺，其特征在于：谐振器(2)由金属、石英、多晶硅或块硅制成。

14.如权利要求1所述的陀螺，其特征在于：驱动装置(4)和拾取装置为静电、电磁、压电或光学装置。

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