专利名称：用于测定绕三个相垂直空间轴x、y和z的旋转运动的微陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测定绕三个相垂直空间轴X、y和ζ的旋转运动的微陀螺，其包括衬底、多个驱动元件和多个传感器元件，所述衬底上设有多个质量块，所述质量块沿切向围绕垂直于所述衬底的ζ轴振荡，其中，所述振荡质量块借助弹簧和锚件固定在所述衬底上，所述驱动元件用于保持所述质量块的绕Z轴切向振摆，从而使所述质量块在所述衬底绕任一空间轴旋转时受到科氏力的作用并发生由此引起的偏斜，所述传感器元件用于检测所述质量块被所产生的科氏力引发的偏斜。
背景技术：
微陀螺通常用于测定围绕正交x-y-z坐标系中某一轴线的旋转运动。因此，如果要测定系统绕每个轴线的旋转运动，就需要使用三个这样的微陀螺。从控制或数据分析角度看，这种做法不但成本高，也很费力。Tff 286201 BB揭露一种三轴MEMS微机电陀螺仪。其中，多个布置在中央锚件上的质量块发生振荡旋转运动。这些质量块布置在衬底上，并且在绕X轴或1轴的旋转以及由此而产生的科氏力作用下绕y轴或X轴倾斜。通过用相应的悬架将这些驱动质量块安装在衬底上，可以实现这一点。如果再用相应的悬架将子质量块安装在采用可旋转安装方式的质量块上，这些子质量块就会在绕ζ轴旋转的作用下进行平移偏斜。上述倾斜运动和平移运动都可用传感器检测，而且由于与衬底的旋转运动成比例，因而可以用来推断围绕χ轴、 y轴或ζ轴的相应旋转。但是，偏斜就很难测定。为创造出一种能测定绕三个轴线的旋转运动的三维陀螺，D. Wood等人在1996年的论文“能同时感测三轴的单片硅微陀螺(A monolithic silicon gyroscope capable of sensing about three axes simultaneously)”中提出了一种陀螺，这种陀螺具有多个呈环形围绕中央锚件布置的振荡质量块。这些质量块能够在所产生的科氏力的作用下做倾斜运动与旋转运动。缺点是，这种传感器的制造以及对受驱质量块的驱动都很难。传感器各部件的运动会相互影响，因而无法足够精确地测量陀螺在χ向、y向或ζ向上的运动。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测定绕三个相垂直空间轴x、y和ζ的旋转运动的微陀螺，这种微陀螺能精确检测各旋转方向上的偏斜，而且不会因受到非待测方向上的运动的影响而提供失真的检测结果，尤其不会因质量块的驱动影响而提供失真的检测结果。本发明用来达成上述目的的解决方案为一种具有如权利要求1所述特征的微陀螺。本发明的微陀螺用于测定绕三个相垂直空间轴x、y和ζ的旋转运动。该微陀螺具有衬底，衬底上设有多个质量块，这些质量块沿切向围绕垂直于衬底的ζ轴振荡，其中，这些振荡质量块借助弹簧和锚件固定在衬底上。驱动元件绕ζ轴驱动质量块，用于保持质量块的绕ζ轴切向振摆。衬底绕任一空间轴旋转时产生科氏力，这部分科氏力使受驱质量块发生偏斜。传感器元件布置在质量块区域内并且对质量块被衬底旋转而产生的科氏力所引发的偏斜进行检测。根据本发明，所述绕ζ轴振荡的质量块中的部分质量块以主要可绕平行于衬底的 X轴倾斜的方式进行安装。所述绕ζ轴振荡的质量块中的其他质量块以主要可绕平行于衬底的y轴倾斜的方式进行安装。至少一个其他振荡质量块还能在平行于衬底所在平面的 χ-y平面内主要沿相对于ζ轴的径向进行偏斜；这种质量块在下文中称为ζ向质量块。这个还能进行径向偏斜的ζ向质量块配有传感器元件，该传感器元件同样能进行相对于ζ轴的径向偏斜，但并不绕ζ轴振荡。将ζ向质量块和传感器元件予以区分的优点主要在于可以将切向驱动运动与径向传感器运动去耦合。该传感器元件本身在切向上不受驱，因此要测定衬底的绕ζ轴旋转运动，只需要检测传感器元件的径向运动。Z向质量块与其他质量块一起绕Z轴做振荡运动，当衬底绕Z轴旋转并产生科氏力时，Z向质量块将沿径向偏斜。Z向质量块既做切向运动，又做径向运动，但只有径向运动被传递给传感器元件。传感器元件的这种方向唯一(径向)的运动非常便于检测，且不会与其他运动发生叠加。相对于现有技术中的解决方案，这样能显著改善检测精度。根据本发明的优选实施方案，所述陀螺仪主要具有八个沿切向绕ζ轴振荡的质量块，其中的四个质量块还能进行相对于Z轴的径向运动，因而被称为Z向质量块。通过布置八个振荡质量块并且其中的四个为Z向质量块，就能获得一种在所产生的力方面平衡的陀螺仪。科氏力比较便于检测，能够可靠地查明引发绕某一轴线的旋转运动的原因。特别是， 如果这八个质量块沿周向均勻分布，并且基本上只沿切向绕Z轴振荡的质量块沿X向和y 向定向，其余的Z向质量块布置在X轴和y轴之间，就能产生特别平衡的系统。与所有参与驱动运动的质量块一样，ζ向质量块也在围绕ζ轴的切向上受驱，但除此之外还能进行相对于ζ轴的径向偏斜。这些质量块优选由半开式框架固定，并且进行切向驱动运动。科氏力只对Z向质量块的径向可动性产生作用，进而使传感器元件发生偏斜，以便测定绕Z轴转速。根据本发明的优选实施方案，所述基本上只沿切向绕ζ轴振荡的质量块是用于检测所述衬底的绕X轴或y轴旋转的倾斜板。一旦衬底绕X轴或y轴旋转并产生科氏力，这些只沿切向绕ζ轴振荡的质量块就会绕y轴或χ轴倾斜。这种倾斜运动可由分配给质量块的电容式传感器转换成电信号。所述既能进行相对于ζ轴的径向运动又能沿切向绕ζ轴运动的ζ向质量块优选耦合在框架上，以便能进行绕Z轴切向运动。该框架一方面用于Z向质量块的切向驱动，另一方面用于实现Z向质量块稳定的悬挂安装，以便Z向质量块能进行径向运动。通过对框架进行特别设计，Z向质量块可以采用足够大的尺寸，以便对科氏力产生明显反应，从而发生径向偏斜。从这种设计方案可以看出，Z向质量块的主要特性是径向偏斜，在其他情况下， 这种径向偏斜只有在框架和Z向质量块的组合整体上切向受驱做初级运动时才会产生。然而，径向次级运动在这里特别重要。这种框架式设计可以使这些特性得到很好的利用。特别优选地，所述既能进行相对于ζ轴的径向运动又能沿切向绕ζ轴运动的ζ向质量块与至少一个其他传感器元件相连，所述其他传感器元件用于检测所述Z向质量块被科氏力引发的径向偏斜。这样就可以通过仅具有径向可动性的传感器元件来检测导致Z向质量块发生径向偏斜的科氏力，而不必在既做径向运动又做切向运动的ζ向质量块上测量偏斜情况。这能显著改善测量结果，因为不会与其他运动发生叠加。传感器元件的运动仅指向径向科氏力。这使所测定的信号分析起来非常容易。根据本发明的优选实施方式，所述框架借助弹簧(特定而言两个弹簧)以可沿切向绕ζ轴运动的方式锚定在所述衬底上。在除切向以外的其他方向上，该框架基本不动。因此，所述框架只能进行切向振荡运动。作用在框架上的科氏力无法使框架发生径向偏斜。所述框架或弹簧在径向上相应为刚性。该框架优选也不会做偏离χ-y平面的运动，因而也不会对绕χ轴或ι轴转速所引发的科氏力产生反应。但是，这个方向上的刚性并非在任何情况下都是必要的。也可以让框架或ζ向质量块做偏离χ-y平面的运动，只要能确定这一运动不会传递给传感器元件，也不会影响传感器元件的测量。为获得一种在受驱质量块之间的反作用力和反力矩方面尽可能平衡的微陀螺系统，所述框架优选布置在所述沿切向绕ζ轴振荡的质量块或倾斜板之间。所述既能进行相对于ζ轴的径向运动又能沿切向绕ζ轴运动的ζ向质量块借助至少一个弹簧(优选四个弹簧)与相应的框架相连。这能将ζ向质量块稳定地安装在框架内， 从而确保Z向质量块只能在径向上相对于框架运动。其中，Z向质量块只对绕Z轴转速产生反应，从而保证分配给Z向质量块的传感器元件能够作出明确反应，进而在由此产生的电信号基础上得到明确的测量结果。根据本发明的优选实施方式，如果所述框架以基本上只能沿切向绕ζ轴运动的方式锚定在所述衬底上，就能使该框架明确发生绕Z轴切向旋转形式的初级运动。次级运动则是可动地安装在框架内部的Z向质量块所进行的径向振荡。如果所述倾斜板和所述框架通过弹簧彼此相连，就能极大改善所述微陀螺的动力性能。这些弹簧用作同步弹簧，其作用是让倾斜板和框架以相同的方式完成绕ζ轴切向初级运动。这样一来，倾斜板和框架具有共同的振荡模式，所有相关质量块都以相同频率和相同相位进行振荡。所述用于连接倾斜板和框架的弹簧优选实施为切向刚性，在其他方向上为柔性。 这样一来，倾斜板和框架就能以共同的振荡模式和相同的频率进行初级运动，而当倾斜板在X向或y向转速的作用下倾斜偏离x-y平面时，不会受到同步弹簧的阻碍。通过这种方式，倾斜板就能在不受到较大弹簧阻力的情况下偏离χ-y平面，而且基本上也不会受到优选停留在χ-y平面内的框架的影响。为明确显示绕χ轴转速或绕y轴转速所产生的作用，所述沿切向绕ζ轴振荡的质量块或倾斜板中的部分质量块或倾斜板以可绕X轴倾斜的方式锚定在所述衬底上，其他质量块或倾斜板以只能绕y轴倾斜的方式锚定在所述衬底上。因此，当离X轴相对较远或者位于y轴上的质量块或倾斜板偏离χ-y平面时，就表明它们受到了绕y轴转速的作用。而当离y轴相对较远或者位于χ轴上的质量块或倾斜板绕y轴倾斜或者偏离χ-y平面时，就表明它们受到了传感器的绕χ轴转速的作用。引发所述初级振荡的驱动元件优选布置在所述只沿切向绕ζ轴振荡的质量块上， 以及/或者布置在所述框架上。这些驱动元件使相关组件发生绕ζ轴驱动振荡形式的初级振荡。根据本发明的优选实施方案，保持所述绕ζ轴驱动振荡所需要的所述驱动元件是梳状电容器的电极，为所述电极加载合适的交流驱动电压。为此，部分驱动元件固定在衬底上，其余部分则固定在待驱动组件上。施加交流电压后，这些电极将交替受到引力作用，从而使组件发生初级振摆。所述传感器元件优选布置在所述倾斜板下方，以便检测所述倾斜板的偏斜。这些传感器元件可以是平板电容器，该平板电容器的可动部分由倾斜板构成，静态部分由伸展布置在该倾斜板下方以及衬底表面的印刷导线构成。在检测某一测量运动的过程中，电容变化会相应弓I起测量电信号的变化。如果所述ζ向质量块配有能检测科氏力所引发的径向偏斜的传感器元件，就能利用这些传感器元件明确测定传感器的绕ζ轴转速，并且测定过程非常简单。所述分配给所述ζ向质量块的传感器元件优选构成电容器的可动测量电极，所述测量电极的静态对应件与所述衬底固定相连。因此，测量电极的一个部分完成传感器元件的运动，并在此过程中接近或远离测量电极的静态对应件。这种距离变化被转换成可变电信号，据此可推断出传感器的绕ζ轴转速。所述传感器元件的可动测量电极优选实施为可沿径向运动的框架。由此将获得一种稳定的、能可靠指出运动情况的组件。特别优选地，所述ζ向质量块尽量远离所述传感器的中心，这样一来，ζ向质量块会受到更大的科氏力作用，因而也能将更大的振幅传递给相应的传感器元件。就算较小的转速也能测量出来。另外，传感器的结构会变得特别紧凑，安装空间�。夷苷攵愿髦肿偬峁┟魅沸藕�。为确保所述传感器元件尽量与对应ζ向质量块的切向运动去耦合，所述ζ向质量块和所述传感器元件优选通过切向柔性径向刚性的弹簧彼此相连。这样就能将ζ向质量块的径向运动传递给传感器元件，二者的径向振荡共同形成次级运动，而Z向质量块的切向初级运动却不会耦合到传感器元件上。为提高分配给ζ向质量块的传感器元件的稳定性，尤其是对抗非规定方向上的干扰的能力，所述传感器元件优选借助四个弹簧固定在所述衬底上。这些弹簧所采用的设计允许传感器元件做径向运动，但能阻止传感器元件沿其他方向运动。所述倾斜板优选借助弹簧布置在所述衬底上，其中，所述弹簧允许所述倾斜板在 χ-y平面内做切向旋转运动，以及允许所述倾斜板做偏离χ-y平面的倾斜运动。为此，所述弹簧优选近中心地固定在锚件上。所述传感器的外轮廓优选大致呈圆形。这样能使所述初级运动中的旋转运动得到支持，此外还能大幅减小传感器所需要的安装空间。
下面借助实施例对本发明的其他优点进行说明。其中 图1为本发明陀螺仪的俯视图2为图1所示陀螺仪的倾斜板的俯视图； 图3为图2所示倾斜板的连接方案； 图4为图1所示陀螺仪的ζ向传感器装置的俯视图； 图5为图1所示陀螺仪的ζ向传感器装置的详图；图6为图1所示传感器的初级运动图； 图7为用于测定图1所示陀螺仪的y向转速的次级运动； 图8为测定图1所示陀螺仪的ζ向转速。
具体实施例方式图1为本发明微机电陀螺仪包含所有组件在内的全景俯视图。以下各图将对各个组件以及该陀螺仪在检测转速时的振荡模式进行详细说明。所述陀螺仪主要由用于检测绕χ轴和y轴转速的元件构成，其中，χ轴和y轴位于绘图平面内。陀螺仪在该平面内的其他组件用于检测ζ向转速。该平面下方设有与之平行的衬底，附图所示的组件布置在这个衬底上，布置方式见下文。设有用于测定χ向转速和y向转速的倾斜板2。为测定ζ向转速，即陀螺仪的绕ζ 轴旋转，每两个倾斜板2之间各设一个ζ向质量块3。ζ向质量块3位于框架4中且借助四个弹簧5固定在该框架内。框架4借助两个框架弹簧6悬挂安装在两个框架锚件7上，这两个框架锚件固定在衬底上。倾斜板2 —方面借助倾斜弹簧8和锚件9固定在衬底上。此外，每个倾斜板2各借助两个同步弹簧10固定在两个框架4之间。作为振荡初级运动，倾斜板2和ζ向质量块3连同框架4 一起受驱绕ζ轴做振荡旋转切向运动。本实施例用梳状电极11和11’进行驱动。其中，梳状电极11固定在受驱部件(即倾斜板2和框架4)上，而相应的对应电极11’则静态固定在衬底上。施加交流电压后，电极11和11’的两侧交替受到引力作用。倾斜板2以及ζ向质量块3和框架4由此产生切向振荡形式的初级运动。为使单个元件能保持同步的振荡旋转运动，以及为使倾斜板2和框架4保持稳定，倾斜板2与框架4之间设有同步弹簧10。如果陀螺仪绕χ轴旋转，就会产生科氏力并且该科氏力会使得布置在X轴上的倾斜板2偏离x-y平面。在倾斜弹簧8和同步弹簧10的规定弹性的作用下，位于χ轴上的倾斜板2绕y轴或倾斜弹簧8旋转，进入绘图平面，再离开绘图平面。为此，倾斜弹簧8所采用的设计一方面允许倾斜板2绕ζ轴做驱动运动，同时又不会明显阻碍绕y轴的倾斜运动。 而这些位于χ轴上的倾斜板2的倾斜弹簧8绕χ轴则基本呈刚性。检测陀螺仪的绕y轴转速时同样如此。此时，位于y轴上的倾斜板2受到相应科氏力的作用，从而偏离χ-y平面。 这些倾斜板2的相应倾斜弹簧8的实施方式与其他倾斜弹簧相似。它们的布置方式和设计方案既允许布置在y轴上的倾斜板2绕ζ轴旋转，又允许其绕χ轴倾斜。但这些倾斜弹簧绕y轴则基本呈刚性。同步弹簧10所采用的设计同样允许倾斜板2做偏离x-y绘图平面的倾斜运动。绕ζ轴切向运动则被这些同步弹簧传递给相邻部件。因此，这些同步弹簧相对于在切向上作用的力而言基本呈刚性。检测陀螺仪的ζ向转速时使用的主要是ζ向质量块3和框架4。初级运动同样是这两个元件与倾斜板2—起绕ζ轴所做的切向运动。用梳状电极11和11’进行驱动，其中梳状电极11布置在框架4上，梳状电极11’则静态固定在衬底上。绕ζ轴切向运动得到框架弹簧6的支持，这些框架弹簧允许切向运动，但在径向上相应为刚性，因而能基本上阻止框架4发生径向运动。一旦陀螺仪绕ζ轴旋转，切向初级运动就会产生沿径向作用的科氏力。框架4悬挂安装在框架弹簧6和同步弹簧10上，因而无法进行径向位移。而ζ向质量块3借助弹簧 5悬挂安装在框架4中的方式则可以使其在科氏力的作用下沿径向运动。弹簧5将ζ向质量块3固定在框架4中，它们的相对布置方式能降低ζ向质量块3对纯产生自切向初级运动的寄生转矩的敏感度。这样一来，ζ向质量块3基本只会对沿ζ轴转速所产生的科氏力产生反应。为能不受干扰地测定ζ向转速，ζ向质量块3与传感器元件12相连。传感器元件 12借助传感器弹簧13固定在锚件9和两个锚件14上。除此之外，传感器元件12还通过耦合弹簧15与ζ向质量块3相连。耦合弹簧15实施为切向柔性，径向刚性。借此将ζ向质量块的切向驱动运动与径向上的传感器运动或次级运动去耦合。当ζ向质量块受到切向驱动时，不会对传感器元件12产生明显影响，而当ζ向质量块3受到科氏力作用时，它会沿径向向内向外运动，而且由于耦合弹簧15具有相应刚度，传感器元件12会随之一起运动。传感器弹簧13在刚度方面所采用的设计使其几乎不会妨碍传感器元件12的径向运动，也即， 它在这个方向上具有相对较小但至少可以精确设定的刚度，但是基本上能阻止传感器元件 12的切向运动。借此将初级运动与次级运动去耦合，因此，径向上所产生的科氏力只能使传感器元件12发生相应的径向振荡运动。传感器元件12的栅形结构在此是通过电容器的可动电极实现的，该电容器的静态反极固定在衬底上的凹槽内，附图未予展示。该可变电容用于将检测运动转换为电信号。为清楚起见，下面将以分解图的形式对所述陀螺仪的各单个组件进行说明。图2为倾斜板2。每个倾斜板2都借助两个倾斜弹簧8固定在两个锚件9上。倾斜弹簧8既允许倾斜板2做切向振荡初级运动，又允许倾斜板2绕倾斜弹簧8做偏离x-y 平面的倾斜运动。但倾斜弹簧8为径向刚性，因此当陀螺仪旋转而产生沿径向作用的科氏力时，倾斜板2不会对该科氏力产生明显反应而发生偏斜。因此，倾斜板2的规定偏斜是基于绕χ轴或1轴转速而产生的。如图3所示，图2所示的倾斜板2与框架4及同步弹簧10相连。此处所示的这个单元绕ζ轴发生同步切向运动形式的初级运动。连接弹簧10将倾斜板2和框架4的切向运动同步化。各组件可能因陀螺仪的制造公差而产生的速度差通过同步弹簧10得到补偿。 因此，各组件以共同的共振频率进行振荡，相应也会对转速产生相同的反应。图4展示的是用于检测ζ向转速的组件。ζ向质量块3和框架4 (此处未图示)一起绕Z轴发生振荡切向运动形式的初级运动。陀螺仪绕Z轴旋转引发了 Z向质量块3的径向振荡。ζ向质量块3通过耦合弹簧15与传感器元件12相连。传感器元件12借助传感器弹簧13固定在锚件9和14上。传感器弹簧13允许传感器元件12做径向运动，在检测绕 ζ轴转速的过程中，ζ向质量块3的径向振荡会引发传感器元件的这种径向运动。由耦合弹簧15将ζ向质量块3的径向运动传递给传感器元件12。该耦合弹簧既具有足以防止ζ向质量块3的切向初级运动传递给传感器元件12的柔性，又具有能够让ζ向质量块3的次级运动引发传感器元件12的径向运动的刚度。四个相应的组件互成90°角布置在陀螺仪的衬底上。其中，这些组件位于χ轴和y轴之间的角平分线上。图5为用于测定ζ向转速的组件的详图。ζ向质量块3借助弹簧5固定在框架4 中。框架4借助切向柔性的框架弹簧6固定在框架锚件7上。传感器元件12除了固定在锚件9上以外，还布置在锚件14上。除了作为弹簧13的固定点以外，锚件14还能用作框架4和倾斜板2的初级运动的止点。一旦有ζ向转速产生科氏力，ζ向质量块3的径向运动就会被耦合弹簧15传递给传感器元件12，该传感器元件便会随ζ向质量块3 —起进行径向振荡运动。图6为所述陀螺仪的初级运动示意图。如图所示，倾斜板2与框架4 一样随ζ向质量块3 —起发生绕ζ轴振荡旋转运动。其中，锚件14用作倾斜板2和框架4的止动件。 传感器元件12在这个初级运动过程中保持不动地布置在衬底上。本图与以下各图都是示意图，因此不排除某些细部图示不精确的可能性。图7为位于χ轴上的倾斜板2的偏斜情况，这是对陀螺仪的χ向转速所产生的反应。位于X轴上的倾斜板2围绕将其固定在锚件9上的倾斜弹簧8倾斜并偏离χ-y平面。 位于y轴上的倾斜板2则仍位于该平面内。在本实施例中，同步弹簧10所具有的刚度使得框架4和ζ向质量块3也发生倾斜，但是，耦合弹簧15的柔性使得这一偏斜不会被传递给传感器元件12。平板电容器能够将各倾斜运动转换为电信号，该平板电容器的可动部分直接由倾斜板2构成，静态部分布置在衬底上，位于相应倾斜板2下方。耦合弹簧15的柔性使得这些运动不会对传感器元件12产生影响。y向转速的检测方式也是如此。此时，沿y 轴布置的倾斜板2偏离x-y平面。通过同步弹簧10固定在倾斜板2上的ζ向质量块3和框架4视情况也会因此而至少部分偏离x-y平面。图8为检测所述陀螺仪的ζ向转速的示意图。如前所述，ζ向质量块3在径向科氏力的作用下发生径向振荡。耦合弹簧15使得传感器元件12随ζ向质量块3 —起做径向振荡运动。相关弹簧所采用的设计使得传感器元件12能够在这个径向上做轻微幅度的运动，而在偏离x-y平面的方向或围绕ζ轴的切向上则保持不动。传感器元件12的径向运动可以在其栅形结构上借助静态固定在衬底上的相应电极加以测定。检测ζ向转速时，倾斜板2和框架4 一样基本保持不动。但是，框架4视情况也可以沿径向轻微偏斜，具体情况视相应的弹簧常数而定。本发明不限于上述实施例。在有效的权利要求书范围内，可以采用不同于上述实施例的实施方案，例如各部件的设计及其相对布置方式。元件符号表
1衬底
2倾斜板
3ζ向质量块
4框架
5弹簧
6框架弹簧
7框架锚件
8倾斜弹簧
9锚件
10同步弹簧
11梳状电极 11’ 梳状电极
12传感器元件13传感器弹簧
14锚件
15華禹合弹黃
权利要求
1.一种微陀螺，用于测定绕三个相垂直空间轴x、y和ζ的旋转运动，其包括一衬底(1 )，所述衬底上设有多个质量块(2，3)，所述质量块沿切向围绕垂直于所述衬底(1)的ζ轴振荡，其中，所述振荡质量块(2，3)借助弹簧(5，6，8)和锚件(7，9)固定在所述衬底(1)上，多个驱动元件(11 )，用于保持所述质量块(2，3)的绕ζ轴切向振摆，从而使所述质量块 (2，3)在所述衬底(1)绕任一空间轴旋转时受到科氏力的作用并发生由此引起的偏斜，以及多个传感器元件，用于检测所述质量块(2，3)被所产生的科氏力引发的偏斜，其特征在于，所述绕ζ轴振荡的质量块(2，3)中的部分质量块以主要可绕平行于所述衬底(1)的χ 轴倾斜的方式进行安装，所述绕ζ轴振荡的质量块(2，3)中的其他质量块以主要可绕平行于所述衬底(1)的y 轴倾斜的方式进行安装，所述振荡质量块(2，3)中的至少一个其他振荡质量块至少部分还能在平行于所述衬底 (1)所在平面的χ-y平面内主要沿相对于ζ轴的径向进行偏斜，所述这个还能进行径向偏斜的ζ向质量块(3)配有一传感器元件(12)，所述传感器元件同样能进行相对于ζ轴的径向偏斜，但并不绕ζ轴振荡。
2.如权利要求1所述的微陀螺，其特征在于，所述陀螺仪主要具有八个沿切向绕ζ轴振荡的质量块(2，3)，其中的四个质量块设计成还能进行相对于ζ轴的径向运动的ζ向质量块(3)。
3.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述基本上只沿切向绕ζ轴振荡的质量块是用于检测所述衬底(1)的绕χ轴或y轴旋转的倾斜板(2)。
4.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述既能进行相对于 Z轴的径向运动又能沿切向绕Z轴运动的Z向质量块(3)耦合在一框架(4)上，以便进行绕 ζ轴切向运动。
5.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述既能进行相对于 ζ轴的径向运动又能沿切向绕ζ轴运动的ζ向质量块(3)配有至少一个其他传感器元件 (12)，所述其他传感器元件用于检测所述ζ向质量块被科氏力引发的径向偏斜。
6.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述框架(4)借助弹簧(6)(特定而言两个弹簧(6))以可沿切向绕ζ轴运动的方式锚定在所述衬底(1)上。
7.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述框架(4)布置在所述只沿切向绕ζ轴振荡的质量块或倾斜板(2)之间。
8.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述既能进行相对于 ζ轴的径向运动又能沿切向绕ζ轴运动的ζ向质量块(3)借助至少一个(优选四个)弹簧(5) 与所述框架(4)相连。
9.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述ζ向质量块(3) 以基本上只能做径向运动的方式布置在所述框架(4)中。
10.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述框架(4)以基本上只能沿切向绕ζ轴运动的方式锚定在所述衬底(1)上。
11.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述倾斜板(2)和所述框架(4)通过弹簧(10)彼此相连。
12.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述用于连接所述倾斜板(2 )和所述框架(4)的弹簧(10 )切向刚性，径向柔性。
13.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述只沿切向绕ζ 轴振荡的质量块或倾斜板(2)中的部分质量块或倾斜板以基本上只能绕χ轴倾斜的方式锚定在所述衬底(1)上，所述只沿切向绕ζ轴振荡的质量块或倾斜板(2)中的其他质量块或倾斜板以基本上只能绕y轴倾斜的方式锚定在所述衬底(1)上。
14.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述只沿切向绕ζ 轴振荡的质量块(2)和/或所述框架(4)包含驱动元件(11)，所述驱动元件用于保持所述绕ζ轴的切向驱动振荡。
15.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，保持所述绕ζ轴驱动振荡所需要的所述驱动元件(11)是梳状电容器的电极，为所述电极加载合适的交流驱动电压。
16.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述倾斜板(2)下方设有用于对所述倾斜板(2 )的偏斜进行检测的传感器元件。
17.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述ζ向质量块(3) 配有能检测所述ζ向质量块被科氏力引发的径向偏斜的传感器元件。
18.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述分配给所述ζ 向质量块且能对所述ζ向质量块被科氏力引发的径向偏斜进行检测的传感器元件是电容器的可动测量电极，所述测量电极的静态对应件与所述衬底(1)固定相连。
19.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述可动测量电极实施为可沿径向运动的框架。
20.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述传感器元件 (12)的测量电极比所述ζ向质量块(3)更靠近所述传感器的中心。
21.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述传感器的外轮廓整体上大致呈圆形。
22.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述ζ向质量块(3) 和所述传感器元件(12)通过一切向柔性径向刚性的弹簧(15)彼此相连。
23.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述传感器元件 (12)优选借助四个弹簧(13)固定在所述衬底(1)上。
24.如上述权利要求中任一项或多项所述的微陀螺，其特征在于，所述倾斜板(2)借助弹簧(8 )布置在所述衬底(1)上，所述弹簧允许所述倾斜板(2 )在x-y平面内做切向运动以及偏离χ-y平面的倾斜运动，但能抑制所述倾斜板(2)绕其纵轴扭转。
全文摘要
一种微陀螺，用于测定绕三个相垂直空间轴x、y和z的旋转运动，其具有一衬底(1)，所述衬底上设有多个质量块(2，3)，所述质量块沿切向围绕垂直于所述衬底(1)的z轴振荡。所述振荡质量块(2，3)借助弹簧(5，6，8)和锚件(7，9)固定在所述衬底(1)上。多个驱动元件(11)用于保持所述质量块(2，3)的绕z轴切向振摆，从而使所述质量块(2，3)在所述衬底(1)绕任一空间轴旋转时受到科氏力的作用并发生由此引起的偏斜。多个传感器元件用于检测所述质量块(2，3)被所产生的科氏力引发的偏斜。所述绕z轴振荡的质量块(2，3)中的部分质量块以主要可绕平行于所述衬底(1)的x轴倾斜的方式进行安装。所述绕z轴振荡的质量块(2，3)中的其他质量块以主要可绕平行于所述衬底(1)的y轴倾斜的方式进行安装。所述振荡质量块(2，3)中的至少一个其他振荡质量块至少部分还能在平行于所述衬底(1)所在平面的x-y平面内主要沿相对于z轴的径向进行偏斜。所述这个还能进行径向偏斜的z向质量块(3)配有一传感器元件(12)，所述传感器元件同样能进行相对于z轴的径向偏斜，但并不绕z轴振荡。
文档编号G01C19/56GK102365523SQ201080013525
公开日2012年2月29日 申请日期2010年3月8日 优先权日2009年3月26日
发明者H·哈默 申请人:感应动力股份公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
