[发明专利]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

说明书

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z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z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。

TW 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y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z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x轴、y轴或z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x向、y向或z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z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z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z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z轴驱动质量块，用于保持质量块的绕z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z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z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x-y平面内主要沿相对于z轴的径向进行偏斜；这种质量块在下文中称为z向质量块。这个还能进行径向偏斜的z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z轴的径向偏斜，但并不绕z轴振荡。

将z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z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。