專利名稱：用于測定繞三個(gè)相垂直空間軸x、y和z的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測定繞三個(gè)相垂直空間軸X、y和ζ的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微陀螺，其包括襯底、多個(gè)驅(qū)動(dòng)元件和多個(gè)傳感器元件，所述襯底上設(shè)有多個(gè)質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊沿切向圍繞垂直于所述襯底的ζ軸振蕩，其中，所述振蕩質(zhì)量塊借助彈簧和錨件固定在所述襯底上，所述驅(qū)動(dòng)元件用于保持所述質(zhì)量塊的繞Z軸切向振擺，從而使所述質(zhì)量塊在所述襯底繞任一空間軸旋轉(zhuǎn)時(shí)受到科氏力的作用并發(fā)生由此引起的偏斜，所述傳感器元件用于檢測所述質(zhì)量塊被所產(chǎn)生的科氏力引發(fā)的偏斜。
背景技術(shù)：
微陀螺通常用于測定圍繞正交x-y-z坐標(biāo)系中某一軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，如果要測定系統(tǒng)繞每個(gè)軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就需要使用三個(gè)這樣的微陀螺。從控制或數(shù)據(jù)分析角度看，這種做法不但成本高，也很費(fèi)力。Tff 286201 BB揭露一種三軸MEMS微機(jī)電陀螺儀。其中，多個(gè)布置在中央錨件上的質(zhì)量塊發(fā)生振蕩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些質(zhì)量塊布置在襯底上，并且在繞X軸或1軸的旋轉(zhuǎn)以及由此而產(chǎn)生的科氏力作用下繞y軸或X軸傾斜。通過用相應(yīng)的懸架將這些驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊安裝在襯底上，可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。如果再用相應(yīng)的懸架將子質(zhì)量塊安裝在采用可旋轉(zhuǎn)安裝方式的質(zhì)量塊上，這些子質(zhì)量塊就會在繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的作用下進(jìn)行平移偏斜。上述傾斜運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)都可用傳感器檢測，而且由于與襯底的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)成比例，因而可以用來推斷圍繞χ軸、 y軸或ζ軸的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。但是，偏斜就很難測定。為創(chuàng)造出一種能測定繞三個(gè)軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三維陀螺，D. Wood等人在1996年的論文“能同時(shí)感測三軸的單片硅微陀螺(A monolithic silicon gyroscope capable of sensing about three axes simultaneously)”中提出了一種陀螺，這種陀螺具有多個(gè)呈環(huán)形圍繞中央錨件布置的振蕩質(zhì)量塊。這些質(zhì)量塊能夠在所產(chǎn)生的科氏力的作用下做傾斜運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)是，這種傳感器的制造以及對受驅(qū)質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)都很難。傳感器各部件的運(yùn)動(dòng)會相互影響，因而無法足夠精確地測量陀螺在χ向、y向或ζ向上的運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于測定繞三個(gè)相垂直空間軸x、y和ζ的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微陀螺，這種微陀螺能精確檢測各旋轉(zhuǎn)方向上的偏斜，而且不會因受到非待測方向上的運(yùn)動(dòng)的影響而提供失真的檢測結(jié)果，尤其不會因質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)影響而提供失真的檢測結(jié)果。本發(fā)明用來達(dá)成上述目的的解決方案為一種具有如權(quán)利要求1所述特征的微陀螺。本發(fā)明的微陀螺用于測定繞三個(gè)相垂直空間軸x、y和ζ的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該微陀螺具有襯底，襯底上設(shè)有多個(gè)質(zhì)量塊，這些質(zhì)量塊沿切向圍繞垂直于襯底的ζ軸振蕩，其中，這些振蕩質(zhì)量塊借助彈簧和錨件固定在襯底上。驅(qū)動(dòng)元件繞ζ軸驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，用于保持質(zhì)量塊的繞ζ軸切向振擺。襯底繞任一空間軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生科氏力，這部分科氏力使受驅(qū)質(zhì)量塊發(fā)生偏斜。傳感器元件布置在質(zhì)量塊區(qū)域內(nèi)并且對質(zhì)量塊被襯底旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的科氏力所引發(fā)的偏斜進(jìn)行檢測。根據(jù)本發(fā)明，所述繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊中的部分質(zhì)量塊以主要可繞平行于襯底的 X軸傾斜的方式進(jìn)行安裝。所述繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊中的其他質(zhì)量塊以主要可繞平行于襯底的y軸傾斜的方式進(jìn)行安裝。至少一個(gè)其他振蕩質(zhì)量塊還能在平行于襯底所在平面的 χ-y平面內(nèi)主要沿相對于ζ軸的徑向進(jìn)行偏斜；這種質(zhì)量塊在下文中稱為ζ向質(zhì)量塊。這個(gè)還能進(jìn)行徑向偏斜的ζ向質(zhì)量塊配有傳感器元件，該傳感器元件同樣能進(jìn)行相對于ζ軸的徑向偏斜，但并不繞ζ軸振蕩。將ζ向質(zhì)量塊和傳感器元件予以區(qū)分的優(yōu)點(diǎn)主要在于可以將切向驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)與徑向傳感器運(yùn)動(dòng)去耦合。該傳感器元件本身在切向上不受驅(qū)，因此要測定襯底的繞ζ軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只需要檢測傳感器元件的徑向運(yùn)動(dòng)。Z向質(zhì)量塊與其他質(zhì)量塊一起繞Z軸做振蕩運(yùn)動(dòng)，當(dāng)襯底繞Z軸旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生科氏力時(shí)，Z向質(zhì)量塊將沿徑向偏斜。Z向質(zhì)量塊既做切向運(yùn)動(dòng)，又做徑向運(yùn)動(dòng)，但只有徑向運(yùn)動(dòng)被傳遞給傳感器元件。傳感器元件的這種方向唯一(徑向)的運(yùn)動(dòng)非常便于檢測，且不會與其他運(yùn)動(dòng)發(fā)生疊加。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的解決方案，這樣能顯著改善檢測精度。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，所述陀螺儀主要具有八個(gè)沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊，其中的四個(gè)質(zhì)量塊還能進(jìn)行相對于Z軸的徑向運(yùn)動(dòng)，因而被稱為Z向質(zhì)量塊。通過布置八個(gè)振蕩質(zhì)量塊并且其中的四個(gè)為Z向質(zhì)量塊，就能獲得一種在所產(chǎn)生的力方面平衡的陀螺儀。科氏力比較便于檢測，能夠可靠地查明引發(fā)繞某一軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原因。特別是， 如果這八個(gè)質(zhì)量塊沿周向均勻分布，并且基本上只沿切向繞Z軸振蕩的質(zhì)量塊沿X向和y 向定向，其余的Z向質(zhì)量塊布置在X軸和y軸之間，就能產(chǎn)生特別平衡的系統(tǒng)。與所有參與驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊一樣，ζ向質(zhì)量塊也在圍繞ζ軸的切向上受驅(qū)，但除此之外還能進(jìn)行相對于ζ軸的徑向偏斜。這些質(zhì)量塊優(yōu)選由半開式框架固定，并且進(jìn)行切向驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)?？剖狭χ粚向質(zhì)量塊的徑向可動(dòng)性產(chǎn)生作用，進(jìn)而使傳感器元件發(fā)生偏斜，以便測定繞Z軸轉(zhuǎn)速。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，所述基本上只沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊是用于檢測所述襯底的繞X軸或y軸旋轉(zhuǎn)的傾斜板。一旦襯底繞X軸或y軸旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生科氏力，這些只沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊就會繞y軸或χ軸傾斜。這種傾斜運(yùn)動(dòng)可由分配給質(zhì)量塊的電容式傳感器轉(zhuǎn)換成電信號。所述既能進(jìn)行相對于ζ軸的徑向運(yùn)動(dòng)又能沿切向繞ζ軸運(yùn)動(dòng)的ζ向質(zhì)量塊優(yōu)選耦合在框架上，以便能進(jìn)行繞Z軸切向運(yùn)動(dòng)。該框架一方面用于Z向質(zhì)量塊的切向驅(qū)動(dòng)，另一方面用于實(shí)現(xiàn)Z向質(zhì)量塊穩(wěn)定的懸掛安裝，以便Z向質(zhì)量塊能進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)。通過對框架進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，Z向質(zhì)量塊可以采用足夠大的尺寸，以便對科氏力產(chǎn)生明顯反應(yīng)，從而發(fā)生徑向偏斜。從這種設(shè)計(jì)方案可以看出，Z向質(zhì)量塊的主要特性是徑向偏斜，在其他情況下， 這種徑向偏斜只有在框架和Z向質(zhì)量塊的組合整體上切向受驅(qū)做初級運(yùn)動(dòng)時(shí)才會產(chǎn)生。然而，徑向次級運(yùn)動(dòng)在這里特別重要。這種框架式設(shè)計(jì)可以使這些特性得到很好的利用。特別優(yōu)選地，所述既能進(jìn)行相對于ζ軸的徑向運(yùn)動(dòng)又能沿切向繞ζ軸運(yùn)動(dòng)的ζ向質(zhì)量塊與至少一個(gè)其他傳感器元件相連，所述其他傳感器元件用于檢測所述Z向質(zhì)量塊被科氏力引發(fā)的徑向偏斜。這樣就可以通過僅具有徑向可動(dòng)性的傳感器元件來檢測導(dǎo)致Z向質(zhì)量塊發(fā)生徑向偏斜的科氏力，而不必在既做徑向運(yùn)動(dòng)又做切向運(yùn)動(dòng)的ζ向質(zhì)量塊上測量偏斜情況。這能顯著改善測量結(jié)果，因?yàn)椴粫c其他運(yùn)動(dòng)發(fā)生疊加。傳感器元件的運(yùn)動(dòng)僅指向徑向科氏力。這使所測定的信號分析起來非常容易。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述框架借助彈簧(特定而言兩個(gè)彈簧)以可沿切向繞ζ軸運(yùn)動(dòng)的方式錨定在所述襯底上。在除切向以外的其他方向上，該框架基本不動(dòng)。因此，所述框架只能進(jìn)行切向振蕩運(yùn)動(dòng)。作用在框架上的科氏力無法使框架發(fā)生徑向偏斜。所述框架或彈簧在徑向上相應(yīng)為剛性。該框架優(yōu)選也不會做偏離χ-y平面的運(yùn)動(dòng)，因而也不會對繞χ軸或ι軸轉(zhuǎn)速所引發(fā)的科氏力產(chǎn)生反應(yīng)。但是，這個(gè)方向上的剛性并非在任何情況下都是必要的。也可以讓框架或ζ向質(zhì)量塊做偏離χ-y平面的運(yùn)動(dòng)，只要能確定這一運(yùn)動(dòng)不會傳遞給傳感器元件，也不會影響傳感器元件的測量。為獲得一種在受驅(qū)質(zhì)量塊之間的反作用力和反力矩方面盡可能平衡的微陀螺系統(tǒng)，所述框架優(yōu)選布置在所述沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊或傾斜板之間。所述既能進(jìn)行相對于ζ軸的徑向運(yùn)動(dòng)又能沿切向繞ζ軸運(yùn)動(dòng)的ζ向質(zhì)量塊借助至少一個(gè)彈簧(優(yōu)選四個(gè)彈簧)與相應(yīng)的框架相連。這能將ζ向質(zhì)量塊穩(wěn)定地安裝在框架內(nèi)， 從而確保Z向質(zhì)量塊只能在徑向上相對于框架運(yùn)動(dòng)。其中，Z向質(zhì)量塊只對繞Z軸轉(zhuǎn)速產(chǎn)生反應(yīng)，從而保證分配給Z向質(zhì)量塊的傳感器元件能夠作出明確反應(yīng)，進(jìn)而在由此產(chǎn)生的電信號基礎(chǔ)上得到明確的測量結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，如果所述框架以基本上只能沿切向繞ζ軸運(yùn)動(dòng)的方式錨定在所述襯底上，就能使該框架明確發(fā)生繞Z軸切向旋轉(zhuǎn)形式的初級運(yùn)動(dòng)。次級運(yùn)動(dòng)則是可動(dòng)地安裝在框架內(nèi)部的Z向質(zhì)量塊所進(jìn)行的徑向振蕩。如果所述傾斜板和所述框架通過彈簧彼此相連，就能極大改善所述微陀螺的動(dòng)力性能。這些彈簧用作同步彈簧，其作用是讓傾斜板和框架以相同的方式完成繞ζ軸切向初級運(yùn)動(dòng)。這樣一來，傾斜板和框架具有共同的振蕩模式，所有相關(guān)質(zhì)量塊都以相同頻率和相同相位進(jìn)行振蕩。所述用于連接傾斜板和框架的彈簧優(yōu)選實(shí)施為切向剛性，在其他方向上為柔性。 這樣一來，傾斜板和框架就能以共同的振蕩模式和相同的頻率進(jìn)行初級運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)傾斜板在X向或y向轉(zhuǎn)速的作用下傾斜偏離x-y平面時(shí)，不會受到同步彈簧的阻礙。通過這種方式，傾斜板就能在不受到較大彈簧阻力的情況下偏離χ-y平面，而且基本上也不會受到優(yōu)選停留在χ-y平面內(nèi)的框架的影響。為明確顯示繞χ軸轉(zhuǎn)速或繞y軸轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的作用，所述沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊或傾斜板中的部分質(zhì)量塊或傾斜板以可繞X軸傾斜的方式錨定在所述襯底上，其他質(zhì)量塊或傾斜板以只能繞y軸傾斜的方式錨定在所述襯底上。因此，當(dāng)離X軸相對較遠(yuǎn)或者位于y軸上的質(zhì)量塊或傾斜板偏離χ-y平面時(shí)，就表明它們受到了繞y軸轉(zhuǎn)速的作用。而當(dāng)離y軸相對較遠(yuǎn)或者位于χ軸上的質(zhì)量塊或傾斜板繞y軸傾斜或者偏離χ-y平面時(shí)，就表明它們受到了傳感器的繞χ軸轉(zhuǎn)速的作用。引發(fā)所述初級振蕩的驅(qū)動(dòng)元件優(yōu)選布置在所述只沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊上， 以及/或者布置在所述框架上。這些驅(qū)動(dòng)元件使相關(guān)組件發(fā)生繞ζ軸驅(qū)動(dòng)振蕩形式的初級振蕩。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，保持所述繞ζ軸驅(qū)動(dòng)振蕩所需要的所述驅(qū)動(dòng)元件是梳狀電容器的電極，為所述電極加載合適的交流驅(qū)動(dòng)電壓。為此，部分驅(qū)動(dòng)元件固定在襯底上，其余部分則固定在待驅(qū)動(dòng)組件上。施加交流電壓后，這些電極將交替受到引力作用，從而使組件發(fā)生初級振擺。所述傳感器元件優(yōu)選布置在所述傾斜板下方，以便檢測所述傾斜板的偏斜。這些傳感器元件可以是平板電容器，該平板電容器的可動(dòng)部分由傾斜板構(gòu)成，靜態(tài)部分由伸展布置在該傾斜板下方以及襯底表面的印刷導(dǎo)線構(gòu)成。在檢測某一測量運(yùn)動(dòng)的過程中，電容變化會相應(yīng)弓I起測量電信號的變化。如果所述ζ向質(zhì)量塊配有能檢測科氏力所引發(fā)的徑向偏斜的傳感器元件，就能利用這些傳感器元件明確測定傳感器的繞ζ軸轉(zhuǎn)速，并且測定過程非常簡單。所述分配給所述ζ向質(zhì)量塊的傳感器元件優(yōu)選構(gòu)成電容器的可動(dòng)測量電極，所述測量電極的靜態(tài)對應(yīng)件與所述襯底固定相連。因此，測量電極的一個(gè)部分完成傳感器元件的運(yùn)動(dòng)，并在此過程中接近或遠(yuǎn)離測量電極的靜態(tài)對應(yīng)件。這種距離變化被轉(zhuǎn)換成可變電信號，據(jù)此可推斷出傳感器的繞ζ軸轉(zhuǎn)速。所述傳感器元件的可動(dòng)測量電極優(yōu)選實(shí)施為可沿徑向運(yùn)動(dòng)的框架。由此將獲得一種穩(wěn)定的、能可靠指出運(yùn)動(dòng)情況的組件。特別優(yōu)選地，所述ζ向質(zhì)量塊盡量遠(yuǎn)離所述傳感器的中心，這樣一來，ζ向質(zhì)量塊會受到更大的科氏力作用，因而也能將更大的振幅傳遞給相應(yīng)的傳感器元件。就算較小的轉(zhuǎn)速也能測量出來。另外，傳感器的結(jié)構(gòu)會變得特別緊湊，安裝空間小，且能針對各種轉(zhuǎn)速提供明確信號。為確保所述傳感器元件盡量與對應(yīng)ζ向質(zhì)量塊的切向運(yùn)動(dòng)去耦合，所述ζ向質(zhì)量塊和所述傳感器元件優(yōu)選通過切向柔性徑向剛性的彈簧彼此相連。這樣就能將ζ向質(zhì)量塊的徑向運(yùn)動(dòng)傳遞給傳感器元件，二者的徑向振蕩共同形成次級運(yùn)動(dòng)，而Z向質(zhì)量塊的切向初級運(yùn)動(dòng)卻不會耦合到傳感器元件上。為提高分配給ζ向質(zhì)量塊的傳感器元件的穩(wěn)定性，尤其是對抗非規(guī)定方向上的干擾的能力，所述傳感器元件優(yōu)選借助四個(gè)彈簧固定在所述襯底上。這些彈簧所采用的設(shè)計(jì)允許傳感器元件做徑向運(yùn)動(dòng)，但能阻止傳感器元件沿其他方向運(yùn)動(dòng)。所述傾斜板優(yōu)選借助彈簧布置在所述襯底上，其中，所述彈簧允許所述傾斜板在 χ-y平面內(nèi)做切向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及允許所述傾斜板做偏離χ-y平面的傾斜運(yùn)動(dòng)。為此，所述彈簧優(yōu)選近中心地固定在錨件上。所述傳感器的外輪廓優(yōu)選大致呈圓形。這樣能使所述初級運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)得到支持，此外還能大幅減小傳感器所需要的安裝空間。


下面借助實(shí)施例對本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。其中 圖1為本發(fā)明陀螺儀的俯視圖2為圖1所示陀螺儀的傾斜板的俯視圖； 圖3為圖2所示傾斜板的連接方案； 圖4為圖1所示陀螺儀的ζ向傳感器裝置的俯視圖； 圖5為圖1所示陀螺儀的ζ向傳感器裝置的詳圖；圖6為圖1所示傳感器的初級運(yùn)動(dòng)圖； 圖7為用于測定圖1所示陀螺儀的y向轉(zhuǎn)速的次級運(yùn)動(dòng)； 圖8為測定圖1所示陀螺儀的ζ向轉(zhuǎn)速。
具體實(shí)施例方式圖1為本發(fā)明微機(jī)電陀螺儀包含所有組件在內(nèi)的全景俯視圖。以下各圖將對各個(gè)組件以及該陀螺儀在檢測轉(zhuǎn)速時(shí)的振蕩模式進(jìn)行詳細(xì)說明。所述陀螺儀主要由用于檢測繞χ軸和y軸轉(zhuǎn)速的元件構(gòu)成，其中，χ軸和y軸位于繪圖平面內(nèi)。陀螺儀在該平面內(nèi)的其他組件用于檢測ζ向轉(zhuǎn)速。該平面下方設(shè)有與之平行的襯底，附圖所示的組件布置在這個(gè)襯底上，布置方式見下文。設(shè)有用于測定χ向轉(zhuǎn)速和y向轉(zhuǎn)速的傾斜板2。為測定ζ向轉(zhuǎn)速，即陀螺儀的繞ζ 軸旋轉(zhuǎn)，每兩個(gè)傾斜板2之間各設(shè)一個(gè)ζ向質(zhì)量塊3。ζ向質(zhì)量塊3位于框架4中且借助四個(gè)彈簧5固定在該框架內(nèi)。框架4借助兩個(gè)框架彈簧6懸掛安裝在兩個(gè)框架錨件7上，這兩個(gè)框架錨件固定在襯底上。傾斜板2 —方面借助傾斜彈簧8和錨件9固定在襯底上。此外，每個(gè)傾斜板2各借助兩個(gè)同步彈簧10固定在兩個(gè)框架4之間。作為振蕩初級運(yùn)動(dòng)，傾斜板2和ζ向質(zhì)量塊3連同框架4 一起受驅(qū)繞ζ軸做振蕩旋轉(zhuǎn)切向運(yùn)動(dòng)。本實(shí)施例用梳狀電極11和11’進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中，梳狀電極11固定在受驅(qū)部件(即傾斜板2和框架4)上，而相應(yīng)的對應(yīng)電極11’則靜態(tài)固定在襯底上。施加交流電壓后，電極11和11’的兩側(cè)交替受到引力作用。傾斜板2以及ζ向質(zhì)量塊3和框架4由此產(chǎn)生切向振蕩形式的初級運(yùn)動(dòng)。為使單個(gè)元件能保持同步的振蕩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及為使傾斜板2和框架4保持穩(wěn)定，傾斜板2與框架4之間設(shè)有同步彈簧10。如果陀螺儀繞χ軸旋轉(zhuǎn)，就會產(chǎn)生科氏力并且該科氏力會使得布置在X軸上的傾斜板2偏離x-y平面。在傾斜彈簧8和同步彈簧10的規(guī)定彈性的作用下，位于χ軸上的傾斜板2繞y軸或傾斜彈簧8旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入繪圖平面，再離開繪圖平面。為此，傾斜彈簧8所采用的設(shè)計(jì)一方面允許傾斜板2繞ζ軸做驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又不會明顯阻礙繞y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)。 而這些位于χ軸上的傾斜板2的傾斜彈簧8繞χ軸則基本呈剛性。檢測陀螺儀的繞y軸轉(zhuǎn)速時(shí)同樣如此。此時(shí)，位于y軸上的傾斜板2受到相應(yīng)科氏力的作用，從而偏離χ-y平面。 這些傾斜板2的相應(yīng)傾斜彈簧8的實(shí)施方式與其他傾斜彈簧相似。它們的布置方式和設(shè)計(jì)方案既允許布置在y軸上的傾斜板2繞ζ軸旋轉(zhuǎn)，又允許其繞χ軸傾斜。但這些傾斜彈簧繞y軸則基本呈剛性。同步彈簧10所采用的設(shè)計(jì)同樣允許傾斜板2做偏離x-y繪圖平面的傾斜運(yùn)動(dòng)。繞ζ軸切向運(yùn)動(dòng)則被這些同步彈簧傳遞給相鄰部件。因此，這些同步彈簧相對于在切向上作用的力而言基本呈剛性。檢測陀螺儀的ζ向轉(zhuǎn)速時(shí)使用的主要是ζ向質(zhì)量塊3和框架4。初級運(yùn)動(dòng)同樣是這兩個(gè)元件與傾斜板2—起繞ζ軸所做的切向運(yùn)動(dòng)。用梳狀電極11和11’進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中梳狀電極11布置在框架4上，梳狀電極11’則靜態(tài)固定在襯底上。繞ζ軸切向運(yùn)動(dòng)得到框架彈簧6的支持，這些框架彈簧允許切向運(yùn)動(dòng)，但在徑向上相應(yīng)為剛性，因而能基本上阻止框架4發(fā)生徑向運(yùn)動(dòng)。一旦陀螺儀繞ζ軸旋轉(zhuǎn)，切向初級運(yùn)動(dòng)就會產(chǎn)生沿徑向作用的科氏力。框架4懸掛安裝在框架彈簧6和同步彈簧10上，因而無法進(jìn)行徑向位移。而ζ向質(zhì)量塊3借助彈簧 5懸掛安裝在框架4中的方式則可以使其在科氏力的作用下沿徑向運(yùn)動(dòng)。彈簧5將ζ向質(zhì)量塊3固定在框架4中，它們的相對布置方式能降低ζ向質(zhì)量塊3對純產(chǎn)生自切向初級運(yùn)動(dòng)的寄生轉(zhuǎn)矩的敏感度。這樣一來，ζ向質(zhì)量塊3基本只會對沿ζ軸轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的科氏力產(chǎn)生反應(yīng)。為能不受干擾地測定ζ向轉(zhuǎn)速，ζ向質(zhì)量塊3與傳感器元件12相連。傳感器元件 12借助傳感器彈簧13固定在錨件9和兩個(gè)錨件14上。除此之外，傳感器元件12還通過耦合彈簧15與ζ向質(zhì)量塊3相連。耦合彈簧15實(shí)施為切向柔性，徑向剛性。借此將ζ向質(zhì)量塊的切向驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)與徑向上的傳感器運(yùn)動(dòng)或次級運(yùn)動(dòng)去耦合。當(dāng)ζ向質(zhì)量塊受到切向驅(qū)動(dòng)時(shí)，不會對傳感器元件12產(chǎn)生明顯影響，而當(dāng)ζ向質(zhì)量塊3受到科氏力作用時(shí)，它會沿徑向向內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，而且由于耦合彈簧15具有相應(yīng)剛度，傳感器元件12會隨之一起運(yùn)動(dòng)。傳感器彈簧13在剛度方面所采用的設(shè)計(jì)使其幾乎不會妨礙傳感器元件12的徑向運(yùn)動(dòng)，也即， 它在這個(gè)方向上具有相對較小但至少可以精確設(shè)定的剛度，但是基本上能阻止傳感器元件 12的切向運(yùn)動(dòng)。借此將初級運(yùn)動(dòng)與次級運(yùn)動(dòng)去耦合，因此，徑向上所產(chǎn)生的科氏力只能使傳感器元件12發(fā)生相應(yīng)的徑向振蕩運(yùn)動(dòng)。傳感器元件12的柵形結(jié)構(gòu)在此是通過電容器的可動(dòng)電極實(shí)現(xiàn)的，該電容器的靜態(tài)反極固定在襯底上的凹槽內(nèi)，附圖未予展示。該可變電容用于將檢測運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號。為清楚起見，下面將以分解圖的形式對所述陀螺儀的各單個(gè)組件進(jìn)行說明。圖2為傾斜板2。每個(gè)傾斜板2都借助兩個(gè)傾斜彈簧8固定在兩個(gè)錨件9上。傾斜彈簧8既允許傾斜板2做切向振蕩初級運(yùn)動(dòng)，又允許傾斜板2繞傾斜彈簧8做偏離x-y 平面的傾斜運(yùn)動(dòng)。但傾斜彈簧8為徑向剛性，因此當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生沿徑向作用的科氏力時(shí)，傾斜板2不會對該科氏力產(chǎn)生明顯反應(yīng)而發(fā)生偏斜。因此，傾斜板2的規(guī)定偏斜是基于繞χ軸或1軸轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生的。如圖3所示，圖2所示的傾斜板2與框架4及同步彈簧10相連。此處所示的這個(gè)單元繞ζ軸發(fā)生同步切向運(yùn)動(dòng)形式的初級運(yùn)動(dòng)。連接彈簧10將傾斜板2和框架4的切向運(yùn)動(dòng)同步化。各組件可能因陀螺儀的制造公差而產(chǎn)生的速度差通過同步彈簧10得到補(bǔ)償。 因此，各組件以共同的共振頻率進(jìn)行振蕩，相應(yīng)也會對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生相同的反應(yīng)。圖4展示的是用于檢測ζ向轉(zhuǎn)速的組件。ζ向質(zhì)量塊3和框架4 (此處未圖示)一起繞Z軸發(fā)生振蕩切向運(yùn)動(dòng)形式的初級運(yùn)動(dòng)。陀螺儀繞Z軸旋轉(zhuǎn)引發(fā)了 Z向質(zhì)量塊3的徑向振蕩。ζ向質(zhì)量塊3通過耦合彈簧15與傳感器元件12相連。傳感器元件12借助傳感器彈簧13固定在錨件9和14上。傳感器彈簧13允許傳感器元件12做徑向運(yùn)動(dòng)，在檢測繞 ζ軸轉(zhuǎn)速的過程中，ζ向質(zhì)量塊3的徑向振蕩會引發(fā)傳感器元件的這種徑向運(yùn)動(dòng)。由耦合彈簧15將ζ向質(zhì)量塊3的徑向運(yùn)動(dòng)傳遞給傳感器元件12。該耦合彈簧既具有足以防止ζ向質(zhì)量塊3的切向初級運(yùn)動(dòng)傳遞給傳感器元件12的柔性，又具有能夠讓ζ向質(zhì)量塊3的次級運(yùn)動(dòng)引發(fā)傳感器元件12的徑向運(yùn)動(dòng)的剛度。四個(gè)相應(yīng)的組件互成90°角布置在陀螺儀的襯底上。其中，這些組件位于χ軸和y軸之間的角平分線上。圖5為用于測定ζ向轉(zhuǎn)速的組件的詳圖。ζ向質(zhì)量塊3借助彈簧5固定在框架4 中?？蚣?借助切向柔性的框架彈簧6固定在框架錨件7上。傳感器元件12除了固定在錨件9上以外，還布置在錨件14上。除了作為彈簧13的固定點(diǎn)以外，錨件14還能用作框架4和傾斜板2的初級運(yùn)動(dòng)的止點(diǎn)。一旦有ζ向轉(zhuǎn)速產(chǎn)生科氏力，ζ向質(zhì)量塊3的徑向運(yùn)動(dòng)就會被耦合彈簧15傳遞給傳感器元件12，該傳感器元件便會隨ζ向質(zhì)量塊3 —起進(jìn)行徑向振蕩運(yùn)動(dòng)。圖6為所述陀螺儀的初級運(yùn)動(dòng)示意圖。如圖所示，傾斜板2與框架4 一樣隨ζ向質(zhì)量塊3 —起發(fā)生繞ζ軸振蕩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，錨件14用作傾斜板2和框架4的止動(dòng)件。 傳感器元件12在這個(gè)初級運(yùn)動(dòng)過程中保持不動(dòng)地布置在襯底上。本圖與以下各圖都是示意圖，因此不排除某些細(xì)部圖示不精確的可能性。圖7為位于χ軸上的傾斜板2的偏斜情況，這是對陀螺儀的χ向轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的反應(yīng)。位于X軸上的傾斜板2圍繞將其固定在錨件9上的傾斜彈簧8傾斜并偏離χ-y平面。 位于y軸上的傾斜板2則仍位于該平面內(nèi)。在本實(shí)施例中，同步彈簧10所具有的剛度使得框架4和ζ向質(zhì)量塊3也發(fā)生傾斜，但是，耦合彈簧15的柔性使得這一偏斜不會被傳遞給傳感器元件12。平板電容器能夠?qū)⒏鲀A斜運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號，該平板電容器的可動(dòng)部分直接由傾斜板2構(gòu)成，靜態(tài)部分布置在襯底上，位于相應(yīng)傾斜板2下方。耦合彈簧15的柔性使得這些運(yùn)動(dòng)不會對傳感器元件12產(chǎn)生影響。y向轉(zhuǎn)速的檢測方式也是如此。此時(shí)，沿y 軸布置的傾斜板2偏離x-y平面。通過同步彈簧10固定在傾斜板2上的ζ向質(zhì)量塊3和框架4視情況也會因此而至少部分偏離x-y平面。圖8為檢測所述陀螺儀的ζ向轉(zhuǎn)速的示意圖。如前所述，ζ向質(zhì)量塊3在徑向科氏力的作用下發(fā)生徑向振蕩。耦合彈簧15使得傳感器元件12隨ζ向質(zhì)量塊3 —起做徑向振蕩運(yùn)動(dòng)。相關(guān)彈簧所采用的設(shè)計(jì)使得傳感器元件12能夠在這個(gè)徑向上做輕微幅度的運(yùn)動(dòng)，而在偏離x-y平面的方向或圍繞ζ軸的切向上則保持不動(dòng)。傳感器元件12的徑向運(yùn)動(dòng)可以在其柵形結(jié)構(gòu)上借助靜態(tài)固定在襯底上的相應(yīng)電極加以測定。檢測ζ向轉(zhuǎn)速時(shí)，傾斜板2和框架4 一樣基本保持不動(dòng)。但是，框架4視情況也可以沿徑向輕微偏斜，具體情況視相應(yīng)的彈簧常數(shù)而定。本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。在有效的權(quán)利要求書范圍內(nèi)，可以采用不同于上述實(shí)施例的實(shí)施方案，例如各部件的設(shè)計(jì)及其相對布置方式。元件符號表
1襯底
2傾斜板
3ζ向質(zhì)量塊
4框架
5彈簧
6框架彈簧
7框架錨件
8傾斜彈簧
9錨件
10同步彈簧
11梳狀電極 11’ 梳狀電極
12傳感器元件13傳感器彈簧
14錨件
15華禹合彈黃
權(quán)利要求
1.一種微陀螺，用于測定繞三個(gè)相垂直空間軸x、y和ζ的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其包括一襯底(1 )，所述襯底上設(shè)有多個(gè)質(zhì)量塊(2，3)，所述質(zhì)量塊沿切向圍繞垂直于所述襯底(1)的ζ軸振蕩，其中，所述振蕩質(zhì)量塊(2，3)借助彈簧(5，6，8)和錨件(7，9)固定在所述襯底(1)上，多個(gè)驅(qū)動(dòng)元件(11 )，用于保持所述質(zhì)量塊(2，3)的繞ζ軸切向振擺，從而使所述質(zhì)量塊 (2，3)在所述襯底(1)繞任一空間軸旋轉(zhuǎn)時(shí)受到科氏力的作用并發(fā)生由此引起的偏斜，以及多個(gè)傳感器元件，用于檢測所述質(zhì)量塊(2，3)被所產(chǎn)生的科氏力引發(fā)的偏斜，其特征在于，所述繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊(2，3)中的部分質(zhì)量塊以主要可繞平行于所述襯底(1)的χ 軸傾斜的方式進(jìn)行安裝，所述繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊(2，3)中的其他質(zhì)量塊以主要可繞平行于所述襯底(1)的y 軸傾斜的方式進(jìn)行安裝，所述振蕩質(zhì)量塊(2，3)中的至少一個(gè)其他振蕩質(zhì)量塊至少部分還能在平行于所述襯底 (1)所在平面的χ-y平面內(nèi)主要沿相對于ζ軸的徑向進(jìn)行偏斜，所述這個(gè)還能進(jìn)行徑向偏斜的ζ向質(zhì)量塊(3)配有一傳感器元件(12)，所述傳感器元件同樣能進(jìn)行相對于ζ軸的徑向偏斜，但并不繞ζ軸振蕩。
2.如權(quán)利要求1所述的微陀螺，其特征在于，所述陀螺儀主要具有八個(gè)沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊(2，3)，其中的四個(gè)質(zhì)量塊設(shè)計(jì)成還能進(jìn)行相對于ζ軸的徑向運(yùn)動(dòng)的ζ向質(zhì)量塊(3)。
3.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述基本上只沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊是用于檢測所述襯底(1)的繞χ軸或y軸旋轉(zhuǎn)的傾斜板(2)。
4.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述既能進(jìn)行相對于 Z軸的徑向運(yùn)動(dòng)又能沿切向繞Z軸運(yùn)動(dòng)的Z向質(zhì)量塊(3)耦合在一框架(4)上，以便進(jìn)行繞 ζ軸切向運(yùn)動(dòng)。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述既能進(jìn)行相對于 ζ軸的徑向運(yùn)動(dòng)又能沿切向繞ζ軸運(yùn)動(dòng)的ζ向質(zhì)量塊(3)配有至少一個(gè)其他傳感器元件 (12)，所述其他傳感器元件用于檢測所述ζ向質(zhì)量塊被科氏力引發(fā)的徑向偏斜。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述框架(4)借助彈簧(6)(特定而言兩個(gè)彈簧(6))以可沿切向繞ζ軸運(yùn)動(dòng)的方式錨定在所述襯底(1)上。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述框架(4)布置在所述只沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊或傾斜板(2)之間。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述既能進(jìn)行相對于 ζ軸的徑向運(yùn)動(dòng)又能沿切向繞ζ軸運(yùn)動(dòng)的ζ向質(zhì)量塊(3)借助至少一個(gè)(優(yōu)選四個(gè))彈簧(5) 與所述框架(4)相連。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述ζ向質(zhì)量塊(3) 以基本上只能做徑向運(yùn)動(dòng)的方式布置在所述框架(4)中。
10.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述框架(4)以基本上只能沿切向繞ζ軸運(yùn)動(dòng)的方式錨定在所述襯底(1)上。
11.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述傾斜板(2)和所述框架(4)通過彈簧(10)彼此相連。
12.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述用于連接所述傾斜板(2 )和所述框架(4)的彈簧(10 )切向剛性，徑向柔性。
13.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述只沿切向繞ζ 軸振蕩的質(zhì)量塊或傾斜板(2)中的部分質(zhì)量塊或傾斜板以基本上只能繞χ軸傾斜的方式錨定在所述襯底(1)上，所述只沿切向繞ζ軸振蕩的質(zhì)量塊或傾斜板(2)中的其他質(zhì)量塊或傾斜板以基本上只能繞y軸傾斜的方式錨定在所述襯底(1)上。
14.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述只沿切向繞ζ 軸振蕩的質(zhì)量塊(2)和/或所述框架(4)包含驅(qū)動(dòng)元件(11)，所述驅(qū)動(dòng)元件用于保持所述繞ζ軸的切向驅(qū)動(dòng)振蕩。
15.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，保持所述繞ζ軸驅(qū)動(dòng)振蕩所需要的所述驅(qū)動(dòng)元件(11)是梳狀電容器的電極，為所述電極加載合適的交流驅(qū)動(dòng)電壓。
16.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述傾斜板(2)下方設(shè)有用于對所述傾斜板(2 )的偏斜進(jìn)行檢測的傳感器元件。
17.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述ζ向質(zhì)量塊(3) 配有能檢測所述ζ向質(zhì)量塊被科氏力引發(fā)的徑向偏斜的傳感器元件。
18.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述分配給所述ζ 向質(zhì)量塊且能對所述ζ向質(zhì)量塊被科氏力引發(fā)的徑向偏斜進(jìn)行檢測的傳感器元件是電容器的可動(dòng)測量電極，所述測量電極的靜態(tài)對應(yīng)件與所述襯底(1)固定相連。
19.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述可動(dòng)測量電極實(shí)施為可沿徑向運(yùn)動(dòng)的框架。
20.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述傳感器元件 (12)的測量電極比所述ζ向質(zhì)量塊(3)更靠近所述傳感器的中心。
21.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述傳感器的外輪廓整體上大致呈圓形。
22.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述ζ向質(zhì)量塊(3) 和所述傳感器元件(12)通過一切向柔性徑向剛性的彈簧(15)彼此相連。
23.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述傳感器元件 (12)優(yōu)選借助四個(gè)彈簧(13)固定在所述襯底(1)上。
24.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的微陀螺，其特征在于，所述傾斜板(2)借助彈簧(8 )布置在所述襯底(1)上，所述彈簧允許所述傾斜板(2 )在x-y平面內(nèi)做切向運(yùn)動(dòng)以及偏離χ-y平面的傾斜運(yùn)動(dòng)，但能抑制所述傾斜板(2)繞其縱軸扭轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種微陀螺，用于測定繞三個(gè)相垂直空間軸x、y和z的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其具有一襯底(1)，所述襯底上設(shè)有多個(gè)質(zhì)量塊(2，3)，所述質(zhì)量塊沿切向圍繞垂直于所述襯底(1)的z軸振蕩。所述振蕩質(zhì)量塊(2，3)借助彈簧(5，6，8)和錨件(7，9)固定在所述襯底(1)上。多個(gè)驅(qū)動(dòng)元件(11)用于保持所述質(zhì)量塊(2，3)的繞z軸切向振擺，從而使所述質(zhì)量塊(2，3)在所述襯底(1)繞任一空間軸旋轉(zhuǎn)時(shí)受到科氏力的作用并發(fā)生由此引起的偏斜。多個(gè)傳感器元件用于檢測所述質(zhì)量塊(2，3)被所產(chǎn)生的科氏力引發(fā)的偏斜。所述繞z軸振蕩的質(zhì)量塊(2，3)中的部分質(zhì)量塊以主要可繞平行于所述襯底(1)的x軸傾斜的方式進(jìn)行安裝。所述繞z軸振蕩的質(zhì)量塊(2，3)中的其他質(zhì)量塊以主要可繞平行于所述襯底(1)的y軸傾斜的方式進(jìn)行安裝。所述振蕩質(zhì)量塊(2，3)中的至少一個(gè)其他振蕩質(zhì)量塊至少部分還能在平行于所述襯底(1)所在平面的x-y平面內(nèi)主要沿相對于z軸的徑向進(jìn)行偏斜。所述這個(gè)還能進(jìn)行徑向偏斜的z向質(zhì)量塊(3)配有一傳感器元件(12)，所述傳感器元件同樣能進(jìn)行相對于z軸的徑向偏斜，但并不繞z軸振蕩。
文檔編號G01C19/56GK102365523SQ201080013525
公開日2012年2月29日 申請日期2010年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者H·哈默 申請人:感應(yīng)動(dòng)力股份公司