CN117629164A - 一种单轴陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陀螺仪技术领域，公开一种单轴陀螺仪，包括驱动质量块、检测质量块、驱动连接弹性件、检测连接弹性件、梳齿驱动电极、梳齿驱动检测电极、耦合组件、连接梁、驱动锚点及检测锚点，两个通过耦合组件耦合连接的驱动质量块，每个驱动质量块的两端均设有检测质量块，驱动质量块与检测质量块通过连接梁相连，驱动质量块通过驱动连接弹性件与驱动锚点相连，检测质量块通过检测连接弹性件与检测锚点相连，梳齿驱动电极和梳齿驱动检测电极均设置在驱动质量块内，检测第一方向的角速度时，检测质量块在科氏力的作用下沿第三方向运动。本发明公开的单轴陀螺仪线性度高、稳定性好、灵敏度高且总体积小。

Description

一种单轴陀螺仪

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种单轴陀螺仪。

背景技术

MEMS陀螺仪以其具有体积小、集成度高及可靠性好等优点而被广泛应用于飞机、航海、汽车等行业。目前常用的MEMS陀螺仪主要是电容式陀螺仪，已有的电容式陀螺仪的电容结构大多为平板式电容，平板之间的间隙较小，这种结构的陀螺仪受自身结构的限制，具有线性度差、灵敏度低及稳定性差的缺点，不利于陀螺仪的检测。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种单轴陀螺仪，解决了现有技术存在的线性度差、灵敏度低及稳定性差的问题，提高了检测的灵敏度和准确度。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种单轴陀螺仪，采用以上任一方案所述的单轴陀螺仪的加工方法加工而成，包括驱动质量块、检测质量块、驱动连接弹性件、检测连接弹性件、梳齿驱动电极、梳齿驱动检测电极、耦合组件、连接梁、驱动锚点及检测锚点，限定互相垂直的第一方向、第二方向及第三方向，所述驱动质量块的个数为两个，两个所述驱动质量块沿所述第一方向分布且通过所述耦合组件耦合连接，每个所述驱动质量块沿所述第二方向的两端均设有所述检测质量块，所述驱动质量块与所述检测质量块通过所述连接梁相连，所述驱动连接弹性件和所述检测连接弹性件均沿所述第二方向延伸，所述驱动质量块通过所述驱动连接弹性件与所述驱动锚点相连，所述检测质量块通过所述检测连接弹性件与所述检测锚点相连，所述梳齿驱动电极和所述梳齿驱动检测电极均设置在所述驱动质量块内，所述梳齿驱动电极能够驱动所述驱动质量块带动所述检测质量块沿第二方向运动，检测所述第一方向的角速度时，所述检测质量块在科氏力的作用下还沿第三方向运动。

作为一种单轴陀螺仪的加工方法的优选方案，所述耦合组件包括耦合弹性件和音叉耦合梁，所述音叉耦合梁的两端分别与两个所述驱动质量块相连，两个所述驱动质量块之间设置有两个所述耦合弹性件，每个所述耦合弹性件均沿所述第二方向延伸。

作为一种单轴陀螺仪的加工方法的优选方案，所述连接梁沿所述第二方向延伸，每个所述驱动质量块均对应四个连接梁，四个所述连接梁分别为第一连接梁、第二连接梁、第三连接梁及第四连接梁，所述第一连接梁和所述第二连接梁位于所述驱动质量块背离另一个所述驱动质量块的一侧，所述第三连接梁和所述第四连接梁位于所述驱动质量块靠近另一个所述驱动质量块的一侧，所述第一连接梁和所述第三连接梁的一端均与所述驱动质量块相连，另一端均与同一个所述检测质量块相连；所述第二连接梁和所述第四连接梁的一端均与所述驱动质量块相连，另一端均与同一个所述检测质量块相连。

作为一种单轴陀螺仪的加工方法的优选方案，所述耦合弹性件的个数为两个，每个所述耦合弹性件均包括相连的第一耦合子弹性件和第二耦合子弹性件，所述第一耦合子弹性件和所述第二耦合子弹性件均沿所述第二方向延伸且沿所述第一方向分布，一个所述耦合弹性件的两端分别与两个所述第三连接梁相连，另一个所述耦合弹性件的两端分别与两个所述第四连接梁相连。

作为一种单轴陀螺仪的加工方法的优选方案，每个所述驱动质量块均对应四个驱动连接弹性件及四个驱动锚点，所述驱动质量块的四个拐角分别与四个所述驱动连接弹性件和四个所述驱动锚点一一对应设置，每个所述检测质量块均对应两个检测锚点和两个检测连接弹性件，所述检测质量块通过所述检测连接弹性件与所述检测锚点相连。

作为一种单轴陀螺仪的加工方法的优选方案，所述梳齿驱动电极包括第一驱动电极和第二驱动电极，所述梳齿驱动检测电极包括第一驱动检测电极和第二驱动检测电极，所述第一驱动电极和所述第一驱动检测电极均固定在所述驱动质量块上，所述第二驱动电极和所述第二驱动检测电极均形成在衬底上。

作为一种单轴陀螺仪的加工方法的优选方案，所述检测质量块和与其正对的衬底组成检测电容，所述检测电容被配置为所述检测质量块沿第三方向运动时检测电容量。

本发明的有益效果为：本发明公开的单轴陀螺仪，梳齿驱动电极和梳齿驱动检测电极均为梳齿状结构，电容值大、线性度高且灵敏度大，耦合组件能够耦合两个驱动质量块的运动，使两个驱动质量块等大反向运动，降低了因工艺偏差和外部环境的变化对驱动质量块输出位移的影响，保证了单轴陀螺仪的工作稳定性，检测质量块在受到第一方向的角速度的转动且驱动质量块沿第二方向运动时，检测质量块受到第三方向的科氏力，从而实现对角速度的检测，质量块的利用率高，有利于提高检测的灵敏度和降低陀螺仪的总体积，此外，梳齿驱动检测电极检测的电容量变化可用于实时调整梳齿驱动电极的电容量变化，保证该单轴陀螺仪稳定运行，这种结构的单轴陀螺仪具有线性度高、稳定性好、灵敏度高及总体积小的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例提供的单轴陀螺仪的部分结构的示意图；

图2是本发明具体实施例提供的单轴陀螺仪在检测状态下的示意图；

图3是图1在框A处的局部放大图；

图4是图1在圈B处的局部放大图；

图5是本发明具体实施例提供的单轴陀螺仪的音叉耦合梁的示意图。

图中：

1、驱动质量块；101、第一驱动质量块；102、第二驱动质量块；

2、检测质量块；201、第一检测质量块；202、第二检测质量块；203、第三检测质量块；204、第四检测质量块；

3、驱动连接弹性件；

4、检测连接弹性件；

5、梳齿驱动电极；501、第一梳齿驱动电极；502、第二梳齿驱动电极；503、第三梳齿驱动电极；504、第四梳齿驱动电极；51、第一驱动电极；52、第二驱动电极；

6、梳齿驱动检测电极；601、第一梳齿驱动检测电极；602、第二梳齿驱动检测电极；603、第三梳齿驱动检测电极；604、第四梳齿驱动检测电极；61、第一驱动检测电极；62、第二驱动检测电极；

7、耦合组件；71、耦合弹性件；72、音叉耦合梁；

8、连接梁；801、第一连接梁；802、第二连接梁；803、第三连接梁；804、第四连接梁；

9、驱动锚点；

10、检测锚点。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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作出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种单轴陀螺仪，如图1所示，该单轴陀螺仪包括驱动质量块1、检测质量块2、驱动连接弹性件3、检测连接弹性件4、梳齿驱动电极5、梳齿驱动检测电极6、耦合组件7、连接梁8、驱动锚点9及检测锚点10，限定互相垂直的第一方向、第二方向及第三方向，驱动质量块1的个数为两个，两个驱动质量块1沿第一方向分布且通过耦合组件7耦合连接，每个驱动质量块1沿第二方向的两端分别设有一个检测质量块2，驱动质量块1与检测质量块2通过连接梁8相连，驱动连接弹性件3和检测连接弹性件4均沿第二方向延伸，驱动质量块1通过驱动连接弹性件3与驱动锚点9相连，检测质量块2通过检测连接弹性件4与检测锚点10相连，梳齿驱动电极5和梳齿驱动检测电极6均设置在驱动质量块1内，梳齿驱动电极5和梳齿驱动检测电极6的个数均为四个，驱动质量块1的个数为两个，两个驱动质量块1分别为第一驱动质量块101和第二驱动质量块102，其中两个梳齿驱动电极5和两个梳齿驱动检测电极6沿第二方向设置在第一驱动质量块101内，另外两个梳齿驱动电极5和另外两个梳齿驱动检测电极6沿第二方向设置在第二驱动质量块102内，四个梳齿驱动电极5和四个梳齿驱动检测电极6相对于第一方向和第二方向呈对称分布，梳齿驱动电极5能够驱动驱动质量块1带动检测质量块2沿第二方向运动，检测第一方向的角速度时，检测质量块2在科氏力的作用下还沿第三方向运动。

本实施例的第一方向为如图1所示的X轴方向，第二方向为如图1所示的Y轴方向，第三方向为如图1所示的Z轴方向，本实施例以检测X轴方向的加速度为例进行介绍。需要说明的是，若是改变单轴陀螺仪的放置方向，还可以用于检测Z轴方向、Y轴方向或者其他方向的角速度。

本实施例提供的单轴陀螺仪具有线性度高、稳定性好、灵敏度高及总体积小的优点。

如图1所示，本实施例的每个驱动质量块1均对应四个驱动连接弹性件3及四个驱动锚点9，驱动质量块1的四个拐角分别与四个驱动连接弹性件3和四个驱动锚点9一一对应设置，每个检测质量块2均对应两个检测锚点10和两个检测连接弹性件4，检测质量块2通过检测连接弹性件4与检测锚点10相连。

如图2所示，本实施例的检测质量块2的个数为四个，梳齿驱动电极5的个数为四个，梳齿驱动检测电极6的个数为四个，四个检测质量块2分别为第一检测质量块201、第二检测质量块202、第三检测质量块203及第四检测质量块204，四个梳齿驱动电极5分别为第一梳齿驱动电极501、第二梳齿驱动电极502、第三梳齿驱动电极503、第四梳齿驱动电极504，四个梳齿驱动检测电极6分别为第一梳齿驱动检测电极601、第二梳齿驱动检测电极602、第三梳齿驱动检测电极603及第四梳齿驱动检测电极604。

具体地，第一驱动质量块101和第二驱动质量块102沿X轴方向分布，第一检测质量块201和第二检测质量块202分别位于第一驱动质量块101的两端的外侧，第三检测质量块203和第四检测质量块204分别位于第二驱动质量块102的两端的外侧。第一梳齿驱动检测电极601和第二梳齿驱动检测电极602分别位于第一驱动质量块101内且沿Y轴方向分布，第一梳齿驱动电极501和第二梳齿驱动电极502位于第一驱动质量块101内且位于第一梳齿驱动检测电极601和第二梳齿驱动检测电极602之间，第一梳齿驱动电极501和第二梳齿驱动电极502沿Y轴方向分布。第三梳齿驱动检测电极603和第四梳齿驱动检测电极604分别位于第二驱动质量块102内且沿Y轴方向分布，第三梳齿驱动电极503和第四梳齿驱动电极504位于第二驱动质量块102内且位于第三梳齿驱动检测电极603和第四梳齿驱动检测电极604之间，第三梳齿驱动电极503和第四梳齿驱动电极504沿Y轴方向分布。

如图1所示，本实施例的连接梁8沿第二方向延伸，每个驱动质量块1均对应四个连接梁8，每个连接梁8均为直梁，四个连接梁8分别为第一连接梁801、第二连接梁802、第三连接梁803及第四连接梁804。对于第一驱动质量块101，第一连接梁801和第二连接梁802位于第一驱动质量块101背离第二驱动质量块102的一侧，第三连接梁803和第四连接梁804位于第一驱动质量块101靠近第二驱动质量块102的一侧。第一连接梁801和第三连接梁803的一端均与第一驱动质量块101相连，另一端均与第一检测质量块201相连；第二连接梁802和第四连接梁804的一端均与第一驱动质量块101相连，另一端均与第二检测质量块202相连。对于第二驱动质量块102，第一连接梁801和第二连接梁802位于第二驱动质量块102背离第一驱动质量块101的一侧。第三连接梁803和第四连接梁804位于第二驱动质量块102靠近第一驱动质量块101的一侧，第一连接梁801和第三连接梁803的一端均与第二驱动质量块102相连，另一端均与第三检测质量块203相连；第二连接梁802和第四连接梁804的一端均与第二驱动质量块102相连，另一端均与第四检测质量块204相连。

定义图2中垂直于X轴和Y轴所在的平面且向里的方向为Z轴反向，垂直于X轴和Y轴所在的平面且向外的方向为Z轴正向，如图2所示，定义第一梳齿驱动电极501和第四梳齿驱动电极504属于第一电极，第二梳齿驱动电极502和第三梳齿驱动电极503属于第二电极，检测X轴方向的角速度时，在第一电极和第二电极的两端分别施加方向相反的交变电压，电极的两端会产生交变静电力，从而驱动第一驱动质量块101和第二驱动质量块102在Y轴方向往复运动，同时第一检测质量块201、第二检测质量块202、第三检测质量块203及第四检测质量块204在连接梁8的带动下随第一驱动质量块101和第二驱动质量块102沿Y轴方向运动，因为有X轴方向的角速度，使得第一检测质量块201、第二检测质量块202、第三检测质量块203及第四检测质量块204均产生沿Z轴方向的科里奥利力。根据右手定则，第一检测质量块201和第三检测质量块203沿Z轴方向的运动方向相反，若第一检测质量块201沿Z轴正向运动，则第三检测质量块203沿Z轴反向运动，由于第一驱动质量块101与第一检测质量块201之间采用连接梁8连接，使得第一驱动质量块101与第一检测质量块201相连的一端沿Z轴正向运动，而第一驱动质量块101与第二检测质量块202相连的一端沿Z轴反向运动，同时带动第二检测质量块202沿Z轴反向运动；同样地，由于第二驱动质量块102与第三检测质量块203之间采用连接梁8连接，使得第二驱动质量块102与第三检测质量块203相连的一端沿Z轴反向运动，而第二驱动质量块102与第四检测质量块204相连的一端沿Z轴正向运动，同时带动第四检测质量块204沿Z轴正向运动，最终，第一检测质量块201和第四检测质量块204均沿Z轴正向运动，则第二检测质量块202和第三检测质量块203则沿Z轴反向运动。

本实施例的检测质量块2和与其正对的衬底组成检测电容，由于第一检测质量块201、第二检测质量块202、第三检测质量块203及第四检测质量块204均沿Z轴方向运动，使得四个检测电容的电容量发生变化，从而实现对X轴方向的角速度的检测。

需要说明的是，在检测模态下，驱动质量块1沿Y轴方向和Z轴方向运动，梳齿驱动电极5能够驱动驱动质量块1运动，而梳齿驱动检测电极6能够检测到由于驱动质量块1的运动而引起的电容变化，通过梳齿驱动检测电极6检测的电容量变化，可以判断是否需要改变施加在梳齿驱动电极5上的电压，保证该单轴陀螺仪稳定运动。

如图3所示，本实施例的梳齿驱动电极5包括固定在驱动质量块1上的第一驱动电极51和形成在衬底上的第二驱动电极52，如图4所示，梳齿驱动检测电极6包括固定在驱动质量块1上的第一驱动检测电极61和形成在衬底上的第二驱动检测电极62。

也就是说，本实施例的第一驱动电极51和第一驱动检测电极61均是直接形成在驱动质量块1上的，第二驱动电极52和第二驱动检测电极62则是形成在衬底上的，这种结构的梳齿驱动电极5便于驱动驱动质量块1运动，同时利于检测电极检测X轴方向的角速度。将梳齿驱动电极5和梳齿驱动检测电极6设置在驱动质量块1内能够充分利用驱动质量块1的重量，使得加工而成的单轴陀螺仪体积更小、灵敏度更高，利于单轴陀螺仪的小型化设置。

如图1所示，耦合组件7包括耦合弹性件71和音叉耦合梁72，音叉耦合梁72的两端分别与两个驱动质量块1相连，音叉耦合梁72的结构如图5所示，这种音叉耦合梁72结构Q值高，能量损耗较低，使得单轴陀螺仪有较低的功耗，两个驱动质量块1之间设置有两个耦合弹性件71，每个耦合弹性件71均沿第二方向延伸，即两个耦合弹性件71均沿Y轴方向延伸。

如图1和图2所示，耦合弹性件71的个数为两个，每个耦合弹性件71均包括相连的第一耦合子弹性件和第二耦合子弹性件，第一耦合子弹性件和第二耦合子弹性件均为弹簧，第一耦合子弹性件和第二耦合子弹性件均沿Y轴方向延伸且沿X轴方向分布，即第一耦合子弹性件和第二耦合子弹性件沿X轴方向分布，两者均可沿Y轴方向拉伸或者缩短。本实施例的一个耦合弹性件71的两端分别与两个第三连接梁803相连，即该耦合弹性件71的第一耦合子弹性件与一个第三连接梁803相连，第二耦合子弹性件与另一个第三连接梁803相连；另一个耦合弹性件71的两端分别与两个第四连接梁804相连，即该耦合弹性件71的第一耦合子弹性件与一个第四连接梁804相连，第二耦合子弹性件与另一个第四连接梁804相连。这种结构的耦合弹性件71在第一驱动质量块101和第二驱动质量块102被驱动沿Y轴的不同方向时，能够吸收两者的位移差，避免干涉运动。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种单轴陀螺仪，其特征在于，包括驱动质量块、检测质量块、驱动连接弹性件、检测连接弹性件、梳齿驱动电极、梳齿驱动检测电极、耦合组件、连接梁、驱动锚点及检测锚点，限定互相垂直的第一方向、第二方向及第三方向，所述驱动质量块的个数为两个，两个所述驱动质量块沿所述第一方向分布且通过所述耦合组件耦合连接，每个所述驱动质量块沿所述第二方向的两端均设有所述检测质量块，所述驱动质量块与所述检测质量块通过所述连接梁相连，所述驱动连接弹性件和所述检测连接弹性件均沿所述第二方向延伸，所述驱动质量块通过所述驱动连接弹性件与所述驱动锚点相连，所述检测质量块通过所述检测连接弹性件与所述检测锚点相连，所述梳齿驱动电极和所述梳齿驱动检测电极均设置在所述驱动质量块内，所述梳齿驱动电极能够驱动所述驱动质量块带动所述检测质量块沿第二方向运动，检测所述第一方向的角速度时，所述检测质量块在科氏力的作用下还沿第三方向运动。

2.根据权利要求1所述的单轴陀螺仪，其特征在于，所述耦合组件包括耦合弹性件和音叉耦合梁，所述音叉耦合梁的两端分别与两个所述驱动质量块相连，两个所述驱动质量块之间设置有两个所述耦合弹性件，每个所述耦合弹性件均沿所述第二方向延伸。

3.根据权利要求2所述的单轴陀螺仪，其特征在于，所述连接梁沿所述第二方向延伸，每个所述驱动质量块均对应四个连接梁，四个所述连接梁分别为第一连接梁、第二连接梁、第三连接梁及第四连接梁，所述第一连接梁和所述第二连接梁位于所述驱动质量块背离另一个所述驱动质量块的一侧，所述第三连接梁和所述第四连接梁位于所述驱动质量块靠近另一个所述驱动质量块的一侧，所述第一连接梁和所述第三连接梁的一端均与所述驱动质量块相连，另一端均与同一个所述检测质量块相连；所述第二连接梁和所述第四连接梁的一端均与所述驱动质量块相连，另一端均与同一个所述检测质量块相连。

4.根据权利要求3所述的单轴陀螺仪，其特征在于，所述耦合弹性件的个数为两个，每个所述耦合弹性件均包括相连的第一耦合子弹性件和第二耦合子弹性件，所述第一耦合子弹性件和所述第二耦合子弹性件均沿所述第二方向延伸且沿所述第一方向分布，一个所述耦合弹性件的两端分别与两个所述第三连接梁相连，另一个所述耦合弹性件的两端分别与两个所述第四连接梁相连。

5.根据权利要求1所述的单轴陀螺仪，其特征在于，每个所述驱动质量块均对应四个驱动连接弹性件及四个驱动锚点，所述驱动质量块的四个拐角分别与四个所述驱动连接弹性件和四个所述驱动锚点一一对应设置，每个所述检测质量块均对应两个检测锚点和两个检测连接弹性件，所述检测质量块通过所述检测连接弹性件与所述检测锚点相连。

6.根据权利要求1所述的单轴陀螺仪，其特征在于，所述梳齿驱动电极包括第一驱动电极和第二驱动电极，所述梳齿驱动检测电极包括第一驱动检测电极和第二驱动检测电极，所述第一驱动电极和所述第一驱动检测电极均固定在所述驱动质量块上，所述第二驱动电极和所述第二驱动检测电极均形成在衬底上。

7.根据权利要求1所述的单轴陀螺仪，其特征在于，所述检测质量块和与其正对的衬底组成检测电容，所述检测电容被配置为所述检测质量块沿第三方向运动时检测电容量。