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CN106233091B - 具有环形弹簧的三轴微陀螺仪 - Google Patents

具有环形弹簧的三轴微陀螺仪 Download PDF

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CN106233091B CN201480078135.8A CN201480078135A CN106233091B CN 106233091 B CN106233091 B CN 106233091B CN 201480078135 A CN201480078135 A CN 201480078135A CN 106233091 B CN106233091 B CN 106233091B
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Abstract

公开了一种具有环形弹簧的三轴微陀螺仪。本发明的三轴微陀螺仪包括：主弹簧部分；驱动部分；x质量部分；y质量部分；z质量部分；以及感测部分。主弹簧部分设置在x‑y平面上成包括参考点的闭合曲线形状并且具有弹性。驱动部分使主弹簧部分相对于x轴方向和y轴方向以彼此互补的方式收缩和扩张。联接到主弹簧部分的x质量部分根据主弹簧部分的收缩和扩张在y轴方向上运动，并且可在z轴方向上振动和晃动。联接到主弹簧部分的y质量部分根据主弹簧部分的收缩和扩张在x轴方向上运动，并且可在z轴方向上振动和晃动。z质量部分包括x振动质量装置和y振动质量装置，其中，x振动质量装置根据主弹簧部分的收缩和扩张在y轴方向上运动，并且可在x轴方向上振动和晃动，并且y振动质量装置根据主弹簧部分的收缩和扩张在x轴方向上运动，并且可在y轴方向上振动和晃动。感测部分感测x质量部分、y质量部分和z轴部分的振动晃动。具有以上结构的本发明的三轴微陀螺仪能够有效测量关于所有三个x轴、y轴和z轴的旋转运动。

Description

具有环形弹簧的三轴微陀螺仪
技术领域
本发明涉及微陀螺仪，更特别地，涉及感测绕着相互垂直的三个空间轴线进行的旋转运动的三轴微陀螺仪。
背景技术
陀螺仪是通过感测当由于外部力而导致的角速率作用于以预定运动速度振动的质量体时生成的科里奥利力(Coriolis force)来感测绕着特定轴线进行的旋转运动的装置。
这里，科里奥利力与因外力造成的角速率和质量体的运动速度的矢量乘积成正比。因此，可用科里奥利力的测量值和质量体的运动速度的已知值来得到角速率。
陀螺仪被安装在电子装置中，诸如，分别用作用于感测相机晃动、感测运动、感测方向等的传感器的摄像机、虚拟现实装置、汽车导航系统等。在这些情况下，为了方便使用等，需要将陀螺仪小型化。因此，广泛使用基于微机电系统(MEMS)技术的微陀螺仪。
同时，微陀螺仪用于测量绕着x-y-z坐标系中的轴线进行的旋转运动。这里，可布置三个微陀螺仪来测量三个轴线的各旋转，然而，这造成成本和大小增加。
发明内容
技术问题
本发明涉及提供一种能够有效测量关于所有三个轴线的旋转运动的三轴微陀螺仪。
技术方案
本发明的一个方面提供了一种用于测量相对于x轴、y轴和z轴的旋转运动的三轴微陀螺仪，所述x轴、所述y轴和所述z轴相互垂直设置并且与虚拟参考点交叉。根据本发明的一个实施方式的所述三轴微陀螺仪设有：主弹簧部分，该主弹簧部分具有弹性并且以包括所述参考点的闭合曲线的形式设置在x-y平面上；驱动部分，该驱动部分使所述主弹簧部分相对于x轴方向和y轴方向互补地收缩和扩张；x质量部分，该x质量部分联接到所述主弹簧部分，并且被允许在所述x质量部分根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述y轴方向上运动的同时在z轴方向上振动和晃动；y质量部分，该y质量部分联接到所述主弹簧部分，并且被允许在所述y质量部分根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述x轴方向上运动的同时在所述z轴方向上振动和晃动；z质量部分，该z质量部分包括x振动质量元件和y振动质量元件，其中，所述x振动质量元件被允许在所述x振动质量元件根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述y轴方向上运动的同时在所述x轴方向上振动和晃动，并且所述y振动质量元件被允许在所述y振动质量元件根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述x轴方向上运动的同时在所述y轴方向上振动和晃动；以及感测部分，该感测部分感测所述x质量部分、所述y质量部分和所述z质量部分的振动和晃动。
技术效果
在根据本发明的实施方式的具有上述结构的三轴微陀螺仪中，可有效测量所有三个x轴、y轴和z轴的旋转运动。
附图说明
以下提供对本发明的实施方式中使用的各附图的简要描述。
图1是示出根据本发明的一个实施方式的三轴微陀螺仪的视图。
图2是描述图1中示出的主弹簧部分的收缩和扩张形状的视图。
图3a和图3b是分别描述图1中示出的x质量部分和y质量部分的操作的视图。
图4是描述图1中示出的z质量部分的操作的视图。
图5是描述图1中示出的锚固件部分的布置的视图。
具体实施方式
为了充分理解本发明、本发明的操作的优点以及将通过实现本发明而实现的目的，应该参考参照附图和本文中描述的内容的本发明的优选实施方式。在理解附图时，相同的元件旨在在可能情况下被图示为具有相同的参考标号。
然而，本发明可用不同形式来实施，不应理解为限于本文中阐述的实施方式。确切地，提供这些实施方式，使得本公开内容是全面和完全的并且将把发明构思充分传达给本领域的技术人员。
下文中，将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。
图1是示出根据本发明的一个实施方式的三轴微陀螺仪的视图。根据本发明的一个实施方式的三轴微陀螺仪是用于测量绕着x轴、y轴和z轴进行的旋转运动。这里，x轴、y轴和z轴与虚拟参考点PREF交叉并且相互垂直地设置。
参照图1，根据本发明的一个实施方式的三轴微陀螺仪设有主弹簧部分GRG、驱动部分GDR、x质量部分GXM、y质量部分GYM、z质量部分GZM以及感测部分GDE。
具有弹性的主弹簧部分GRG以包括参考点PREF的闭合曲线的形式设置在x-y平面上。
另外，如图2所示，驱动部分GDR使主弹簧部分GRG相对于x轴方向和y轴方向互补地收缩和扩张。换句话讲，主弹簧部分GRG当在x轴方向上收缩时在y轴方向上扩张。类似地，主弹簧部分GRG当在y轴方向上收缩时在x轴方向上扩张。
优选地，主弹簧部分GRG被设置成包括参考点PREF的椭圆形状。另外，进一步优选地，主弹簧部分GRG被设置成其中心是参考点PREF的圆形形状。
具体地，主弹簧部分GRG设有外部环形弹簧ETRG和内部环形弹簧INRG。
外部环形弹簧ETRG在驱动部分GDR的作用下相对于x轴方向和y轴方向互补地收缩和扩张。
内部环形弹簧INRG被包括在外部环形弹簧ETRG中并且包括参考点PREF。这里，内部环形弹簧INRG联接到外部环形弹簧ETRG。因此，内部环形弹簧INRG以与外部环形弹簧ETRG相同的方式也相对于x轴方向和y轴方向互补地收缩和扩张。
具体地，驱动部分GDR设有x驱动元件MXD和y驱动元件MYD。
x驱动元件MXD在x轴方向上对外部环形弹簧ETRG施加力，y驱动元件MYD在y轴方向上对外部环形弹簧ETRG施加力。这里，内部环形弹簧INRG和外部环形弹簧ETRG相对于x轴方向和y轴方向互补地收缩和扩张。
更具体地，x驱动元件MXD在x轴上设置在外部环形弹簧ETRG外部并且设有设置在参考点PREF相对两侧的第一x驱动器XDR1和第二x驱动器XDR2。
另外，y驱动元件MYD在y轴上设置在外部环形弹簧ETRG外部并且设有设置在参考点PREF相对两侧的第一y驱动器YDR1和第二y驱动器YDR2。
因此，在根据本发明的一个实施方式的三轴微陀螺仪中，可在x轴的横向方向上和y轴的竖直方向上施加力。
x质量部分GXM联接到主弹簧部分GRG。另外，x质量部分GXM根据主弹簧部分GRG的收缩和扩张在y轴方向上运动。另外，x质量部分GXM可在z轴方向上振动和晃动。
具体地，x质量部分GXM设有第一外部x质量体XMAE1和第二外部x质量体XMAE2。第一外部x质量体XMAE1和第二外部x质量体XMAE2在y轴上设置在外部环形弹簧ETRG和内部环形弹簧INRG之间。这里，第一外部x质量体XMAE1和第二外部x质量体XMAE2设置在参考点PREF的相对两侧。
另外，第一外部x质量体XMAE1和第二外部x质量体XMAE2根据主弹簧部分GRG的收缩和扩张在y轴方向上运动。另外，第一外部x质量体XMAE1和第二外部x质量体XMAE2可在z轴方向上振动和晃动。然而，第一外部x质量体XMAE1和第二外部x质量体XMAE2并没有产生相对于x轴方向的有意义运动。
因此，如图3a所示，当出现相对于x轴的旋转运动时，第一外部x质量体XMAE1和第二外部x质量体XMAE2在z轴方向(也就是说，x-y平面的垂直方向)上产生振动和晃动。
这里，对本领域的技术人员来说显而易见的是，可通过将第一外部x质量体XMAE1和第二外部x质量体XMAE2的振动和晃动的相位和大小与主弹簧部分GRG的收缩和扩张的相位和大小进行比较，识别相对于x轴进行的旋转运动的方向。
继续参照图1，y质量部分GYM联接到主弹簧部分GRG。y质量部分GYM根据主弹簧部分GRG的收缩和扩张在x轴方向上运动。另外，y质量部分GYM可在z轴方向上振动和晃动。
具体地，y质量部分GYM设有第一外部y质量体YMAE1和第二外部y质量体YMAE2。第一外部y质量体YMAE1和第二外部y质量体YMAE2在x轴上设置在外部环形弹簧ETRG和内部环形弹簧INRG之间。这里，第一外部y质量体YMAE1和第二外部y质量体YMAE2设置在参考点PREF的相对两侧。
另外，第一外部y质量体YMAE1和第二外部y质量体YMAE2根据主弹簧部分GRG的收缩和扩张在x轴方向上运动。另外，第一外部y质量体YMAE1和第二外部y质量体YMAE2可在z轴方向上振动和晃动。然而，第一外部y质量体YMAE1和第二外部y质量体YMAE2并没有产生相对于y轴方向的有意义运动。
因此，如图3b所示，当出现相对于y轴的旋转运动时，第一外部y质量体YMAE1和第二外部y质量体YMAE2在z轴方向(也就是说，x-y平面的垂直方向)上产生振动和晃动。
这里，对本领域的技术人员来说显而易见的是，可通过将第一外部y质量体YMAE1和第二外部y质量体YMAE2的振动和晃动的相位和大小与主弹簧部分GRG的收缩和扩张的相位和大小进行比较，识别相对于y轴进行的旋转运动的方向。
继续参照图1，具体地，z质量体GZM包括x振动质量元件MXM和y振动质量元件MYM。
这里，x振动质量元件MXM根据主弹簧部分GRG的收缩和扩张在y轴方向上运动并且x振动质量元件MXM可在x轴方向上振动和晃动。另外，y振动质量元件MYM根据主弹簧部分GRG的收缩和扩张在x轴方向上运动并且y振动质量元件MYM可在y轴方向上振动和晃动。
具体地，x振动质量元件MXM设有第一内部x质量体XMAN1和第二内部x质量体XMAN2。第一内部x质量体XMAN1和第二内部x质量体XMAN2在y轴上设置在内部环形弹簧INRG中并且设置在参考点PREF的相对两侧。
另外，第一内部x质量体XMAN1和第二内部x质量体XMAN2根据主弹簧部分GRG的收缩和扩张在y轴方向上运动。另外，第一内部x质量体XMAN1和第二内部x质量体XMAN2可向着x轴方向振动和晃动。
因此，如图4所示，当出现相对于z轴的旋转运动时，第一内部x质量体XMAN1和第二内部x质量体XMAN2的振动和晃动出现在x轴方向上(图4中的横向方向上)。在图4中，用箭头表达第一内部x质量体XMAN1和第二内部x质量体XMAN2在x轴方向上的振动和晃动。
另外，具体地，y振动质量元件MYM设有第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2。第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2在x轴上设置在内部环形弹簧INRG中。这里，第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2设置在参考点PREF的相对两侧。
另外，第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2根据主弹簧部分GRG的收缩和扩张在x轴方向上运动并且第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2可在y轴方向上振动和晃动。
因此，如图4所示，当出现相对于z轴的旋转运动时，第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2的振动和晃动出现在y轴方向上(图4中的竖直方向上)。在图4中，用箭头表达第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2在y轴方向上的振动和晃动。
这里，对本领域的技术人员来说显而易见的是，可通过将第一内部x质量体XMAN1、第二内部x质量体XMAN2、第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2的振动和晃动的相位和大小与主弹簧部分GRG的收缩和扩张的相位和大小进行比较，识别相对于z轴进行的旋转运动的方向。
继续参照图1，感测部分GDE感测x质量部分GXM、y质量部分GYM、z质量部分GZM的振动和晃动。
感测部分GDE设有传感器元件101至108，传感器元件101至108可感测第一外部x质量体XMAE1、第二外部x质量体XMAE2、第一外部y质量体YMAE1、第二外部y质量体YMAE2、第一内部x质量体XMAN1、第二内部x质量体XMAN2、第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2的移位。
传感器元件101至108可用诸如板电极、梳状电极等各种形式来实现。这里，对本领域的技术人员来说显而易见的是，可通过将传感器元件101至108的电极中的一些附接到基板并且将其他电极设置在质量体来实现这些电极。因此，将省略对其的详细描述。
继续参照图1，根据本发明的优选实施方式的三轴微陀螺仪还设有基板SUB和锚固件部分GAK。
主弹簧部分GRG、x质量部分GXM、y质量部分GYM和z质量部分GZM设置在基板SUB上。
另外，锚固件部分GAK相对于基板SUB是固定的并且包括与主弹簧部分GRG的一部分接触的第一锚固件AK1至第四锚固件AK4。
这里，如图5所示，第一锚固件AK1至第四锚固件AK4分别设置在第一对称线LC1至第四对称线LC4上。这里，第一对称线LC1至第四对称线LC4中的每个与参考点PREF交叉并且是将被x轴和y轴分割的x-y平面的第一象限至第四象限中的每个划分成两个部分的虚拟直线。
优选地，第一对称线LC1至第四对称线LC4是直线，在x-y平面的第一象限至第四象限上，这些线中的每个相对于x轴和y轴形成45°的角度。另外，第一锚固件AK1至第四锚固件AK4接触主弹簧部分GRG，具体地，接触外部环形弹簧ETRG的稳定点PST1至PST4(参见图2)。
这里，稳定点PST1至PST4中的每个是当主弹簧部分GRG(具体地，外部环形弹簧ETRG)收缩和扩张时其位移最小的一个点。
理想上，当外部环形弹簧ETRG用圆形形状实现时，外部环形弹簧ETRG的稳定点PST1至PST4可被定位成相对于始于参考点PREF的x轴和y轴成45°的角度。
根据如上所述的本发明的实施方式的三轴微陀螺仪，可实现相对所有三个x、y和z轴的旋转运动的有效测量。
也就是说，在本发明的实施方式的三轴微陀螺仪中，在x轴方向和y轴方向二者上驱动主弹簧部分GRG。因此，可通过大驱动力来驱动主弹簧部分GRG。
另外，在彼此垂直的x轴方向和y轴方向上对主弹簧部分GRG施加驱动力。另外，主弹簧部分GRG相对于参考点PREF对称地运动。因此，根据本发明的实施方式，相对于x轴和y轴的旋转角速率的测量准确度提高。
另外，在本发明的实施方式的三轴微陀螺仪中，连接到第一锚固件AK1至第四锚固件AK4的外部环形弹簧ETRG的稳定点PST1至PST4的位移减至最小。因此，根据本发明的实施方式的三轴微陀螺仪，能量损失减少并且主弹簧的谐振Q因子大大提高。
另外，在本发明的实施方式的三轴微陀螺仪中，感测z轴中心的旋转运动的z质量部分GZM包括第一内部x质量体XMAN1、第二内部x质量体XMAN2、第一内部y质量体YMAN1和第二内部y质量体YMAN2。因此，根据本发明的实施方式的三轴微陀螺仪，出现的效果是相对于z轴的旋转运动的陀螺带加宽。
虽然已经结合附图中示出的一个实施方式描述了本发明，但上述实施方式应该被视为只是描述性含义，并且对本领域的技术人员来说显而易见的是，可从本文中阐述的描述中得到各种修改形式和其他等同实施方式。
例如，在本说明书中示出和描述了锚固件接触外部弹簧的实施方式。然而，本领域的技术人员应该显而易见的是，还可通过锚固件接触内部弹簧或与内部和外部弹簧二者接触而非只与外部弹簧接触来实现本发明的创造性构思。
因此，应当根据以下随附权利要求书的技术精神来确定本发明的范围。
工业应用性
本发明可用于微陀螺仪的领域。

Claims (12)

1.一种用于测量相对于x轴、y轴和z轴的旋转运动的三轴微陀螺仪，所述x轴、所述y轴和所述z轴相互垂直设置并且与虚拟参考点交叉，所述三轴微陀螺仪包括：
主弹簧部分，该主弹簧部分具有弹性并且以包括所述参考点的闭合曲线的形式设置在x-y平面上；
驱动部分，该驱动部分使所述主弹簧部分相对于x轴方向和y轴方向互补地收缩和扩张；
x质量部分，该x质量部分联接到所述主弹簧部分，并且被允许在所述x质量部分根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述y轴方向上运动的同时在z轴方向上振动和晃动；
y质量部分，该y质量部分联接到所述主弹簧部分，并且被允许在所述y质量部分根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述x轴方向上运动的同时在所述z轴方向上振动和晃动；
z质量部分，该z质量部分包括x振动质量元件和y振动质量元件，其中，所述x振动质量元件被允许在所述x振动质量元件根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述y轴方向上运动的同时在所述x轴方向上振动和晃动，并且所述y振动质量元件被允许在所述y振动质量元件根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述x轴方向上运动的同时在所述y轴方向上振动和晃动；以及
感测部分，该感测部分感测所述x质量部分、所述y质量部分和所述z质量部分的振动和晃动。
2.根据权利要求1所述的三轴微陀螺仪，其中，所述主弹簧部分设置成包括所述参考点的椭圆形形状。
3.根据权利要求1所述的三轴微陀螺仪，其中，所述主弹簧部分设置成中心是所述参考点的圆形形状。
4.根据权利要求1所述的三轴微陀螺仪，其中，所述主弹簧部分包括：
外部环形弹簧，该外部环形弹簧在所述驱动部分的作用下相对于所述x轴方向和所述y轴方向互补地收缩和扩张；以及
内部环形弹簧，该内部环形弹簧被包括在所述外部环形弹簧中，包括所述参考点，并且联接到所述外部环形弹簧。
5.根据权利要求4所述的三轴微陀螺仪，其中，所述驱动部分包括：
x驱动元件，该x驱动元件在所述x轴方向上对所述外部环形弹簧施加力；以及
y驱动元件，该y驱动元件在所述y轴方向上对所述外部环形弹簧施加力。
6.根据权利要求5所述的三轴微陀螺仪，其中：
所述x驱动元件在所述x轴上设置在所述外部环形弹簧外部并且设有设置在所述参考点的相对两侧的第一x驱动器和第二x驱动器；并且
所述y驱动元件在所述y轴上设置在所述外部环形弹簧外部并且设有设置在所述参考点的相对两侧的第一y驱动器和第二y驱动器。
7.根据权利要求4所述的三轴微陀螺仪，其中：
所述x质量部分设有第一外部x质量体和第二外部x质量体，所述第一外部x质量体和所述第二外部x质量体在所述y轴上设置在所述外部环形弹簧和所述内部环形弹簧之间并且设置在所述参考点的相对两侧；并且
所述第一外部x质量体和所述第二外部x质量体根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述y轴方向上运动并且被允许在所述z轴方向上振动和晃动。
8.根据权利要求4所述的三轴微陀螺仪，其中：
所述y质量部分设有第一外部y质量体和第二外部y质量体，所述第一外部y质量体和所述第二外部y质量体在所述x轴上设置在所述外部环形弹簧和所述内部环形弹簧之间并且设置在所述参考点的相对两侧；并且
所述第一外部y质量体和所述第二外部y质量体根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述x轴方向上运动并且被允许在所述z轴方向上振动和晃动。
9.根据权利要求4所述的三轴微陀螺仪，其中：
所述x振动质量元件设有第一内部x质量体和第二内部x质量体，所述第一内部x质量体和所述第二内部x质量体在所述y轴上设置在所述内部环形弹簧内并且设置在所述参考点的相对两侧，并且所述第一内部x质量体和所述第二内部x质量体根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述y轴方向上运动并且被允许在所述x轴方向上振动和晃动；并且
所述y振动质量元件设有第一内部y质量体和第二内部y质量体，所述第一内部y质量体和所述第二内部y质量体在所述x轴上设置在所述内部环形弹簧内并且设置在所述参考点的相对两侧，并且所述第一内部y质量体和所述第二内部y质量体根据所述主弹簧部分的收缩和扩张在所述x轴方向上运动并且被允许在所述y轴方向上振动和晃动。
10.根据权利要求1所述的三轴微陀螺仪，所述三轴微陀螺仪进一步包括：
基板，所述主弹簧部分、所述x质量部分、所述y质量部分和所述z质量部分设置在所述基板上；以及
锚固件部分，该锚固件部分相对于所述基板是固定的并且包括第一锚固件至第四锚固件，所述第一锚固件至所述第四锚固件接触所述主弹簧部分的多个部分并且设置在第一对称线至第四对称线上，
其中，所述第一对称线至所述第四对称线中的每个是与所述参考点交叉并且将被所述x轴和所述y轴分割的所述x-y平面的第一象限至第四象限中的每个划分成两个部分的虚拟直线。
11.根据权利要求10所述的三轴微陀螺仪，其中，所述第一对称线至所述第四对称线是直线，在所述x-y平面的所述第一象限至所述第四象限上，每条所述直线相对于所述x轴和所述y轴形成45°的角度。
12.根据权利要求10所述的三轴微陀螺仪，其中：
所述第一锚固件至所述第四锚固件分别接触所述x-y平面的所述第一象限至所述第四象限的稳定点；并且
所述第一象限至所述第四象限的所述稳定点中的每个是所述主弹簧部分的当所述主弹簧部分收缩和扩张时位移最小的一个点。
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