包括被引導質量系統(tǒng)的微機械陀螺儀的制作方法
【專利摘要】一種陀螺儀包括一個基底和一個被引導質量系統(tǒng)。該被引導質量系統(tǒng)包括被布置在平行于該基底的一個平面內(nèi)的多個檢測質量和多個引導臂。這些檢測質量由多個彈簧聯(lián)接到該引導臂。該引導臂由多個彈簧聯(lián)接到該基底。這些檢測質量中的至少一者由至少一個錨固件經(jīng)由一個彈簧系統(tǒng)被直接聯(lián)接到該基底。該陀螺儀還包括用于使這些檢測質量之一在第一方向上振動的一個致動器，這致使另一個檢測質量在該平面內(nèi)旋轉。最后，該陀螺儀還包括用于感測該被引導質量系統(tǒng)響應于圍繞單條軸線或多條輸入軸線的角速度而進行的運動的多個傳感器。
【專利說明】包括被引導質量系統(tǒng)的微機械陀螺儀
相關申請的交叉引用
[0001]本申請是2011年9月16日提交的名稱為“包括被引導質量系統(tǒng)的微機械陀螺儀(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A GUIDED MASS SYSTEM) ” 的美國專利申請?zhí)?3/235，296的部分繼續(xù)申請，該申請的全部內(nèi)容通過引用結合在此。
發(fā)明領域
[0002]本發(fā)明總體上涉及角速度感應器并且更具體地涉及包括被引導質量系統(tǒng)的角速度感應器。
進旦冃月^
[0003]常常使用振動式速率陀螺儀來進行角速度感測。振動式速率陀螺儀通過驅動該感應器進行第一運動以及通過測量該感應器響應于該第一運動和有待感測的角速度二者而進行的第二運動來廣泛起作用。
[0004]通常，感應器中常被稱作檢測質量的一個質量被一個致動器驅動而進行振蕩。感應器的旋轉對該振蕩質量施加了一個科里奧利力，這個力是與角速度(或轉速)成正比的并且取決于角速度矢量相對于該檢測質量的速度矢量的取向?？评飱W利力、角速度矢量以及該檢測質量的速度矢量是相互正交的。例如，在圍繞Y軸旋轉的一個感應器中沿X方向運動的一個檢測質量受到Z指向的科里奧利力。類似地，在圍繞Z軸旋轉的一個感應器中沿X方向運動的一個檢測質量受到Y指向的科里奧利力。最后，在圍繞X軸旋轉的一個感應器中沿X方向運動的一個檢測質量不受科里奧利力。被施加至該檢測質量的這些科里奧利力通常是通過測量該感應器中響應于這些科里奧利力而得到的多個運動來間接感測的。
[0005]用于感測圍繞一條平面內(nèi)軸線(即X軸或Y軸)的角速度的傳統(tǒng)陀螺儀可以是平面外驅動的，并且科里奧利響應是在平面內(nèi)感測的或者反之亦然。平面外驅動與平面內(nèi)驅動相比趨向于是更低效的、需要額外制作步驟、并且受到非線性特性的限制。例如，平面外驅動該檢測質量可能在該檢測質量下面需要一個大的豎直空隙或一個空腔以便提供足夠的空間來供該檢測質量振蕩。在該檢測質量之下形成一個空腔需要額外制作步驟，因此成本增加。典型地，使用平行板式靜電致動器來在平面外驅動該檢測質量。這些致動器被形成在該檢測質量與基底之間。靜電力取決于該檢測質量與該基底之間的空隙。因為這個檢測質量在平面外振蕩，靜電力是非線性的，這趨向于限制該裝置的性能。另外，由于在該檢測質量之下需要具有大的豎直空隙或一個空腔，這個靜電力被減小。實現(xiàn)大幅度振蕩需要大的力并且可能需要高電壓致動。增加高電壓致動增大了集成電路的制作成本和復雜性。
[0006]此外，傳統(tǒng)的多軸陀螺儀可能使用以獨立頻率振蕩的多個結構來感測角速率。每個結構都需要一個單獨的驅動電路來使對應的檢測質量振蕩。具有不止一個驅動電路使成本和功率消耗增大。
[0007]相應地，所希望的是提供一種克服了以上問題的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明即針對這種需要。
概述
[0008]—個陀螺儀包括一個基底和一個被引導質量系統(tǒng)。該被引導質量系統(tǒng)包括一個第一檢測質量、一個第二檢測質量和一個弓I導臂。該第一檢測質量、該第二檢測質量和該引導臂被放置在平行于該基底的一個平面內(nèi)。該第一檢測質量通過一個第一彈簧被聯(lián)接到該引導臂；該第二檢測質量通過一個第二彈簧被聯(lián)接到該第一檢測質量。該引導臂通過一個第三彈簧被聯(lián)接到該基底。該第二檢測質量由一個錨固件和一個彈簧系統(tǒng)聯(lián)接到該基底。該陀螺儀還包括用于使該第一檢測質量在一個第一方向上振動的一個致動器，該致動器使該第二檢測質量在該平面內(nèi)旋轉。最后，該陀螺儀包括至少一個傳感器，該至少一個傳感器用于感測該被引導質量系統(tǒng)的一個部分響應于圍繞該平面內(nèi)的一條第一輸入軸線的角速度而在該平面外的方向上進行的運動。
附圖簡要說明
[0009]圖1A展示了包括被應力釋放框架圍繞的被引導質量系統(tǒng)的一個單軸陀螺儀的一個實施例。
[0010]圖1B示出了圖1A的單軸陀螺儀的一個檢測質量沿著X軸的截面。
[0011]圖1C展示了當外部荷載被施加到圖1A的單軸陀螺儀上時該基底以及該檢測質量的形狀。
[0012]圖2A展示了根據(jù)本發(fā)明的第一單軸陀螺儀構形的一個實施例。
[0013]圖2B展示了當基底翹曲時圖2A的陀螺儀。
[0014]圖3展示了圖2A所示的單軸陀螺儀的修改，以便實現(xiàn)一個雙軸陀螺儀。在這個實施例中，檢測質量經(jīng)由彈簧系統(tǒng)被聯(lián)接到該基底。
[0015]圖4A展示了根據(jù)本發(fā)明包括被引導質量系統(tǒng)的一個單軸縱搖陀螺儀的一個實施例。
[0016]圖4B示出了圖4A中給出的單軸陀螺儀的一個不同實施例。
[0017]圖5展示了圖4A所示的單軸陀螺儀的修改，以便實現(xiàn)一個雙軸陀螺儀。
[0018]圖6展示了根據(jù)本發(fā)明包括平衡式被引導質量系統(tǒng)的一個雙軸陀螺儀的一個實施例。
[0019]圖7展示了根據(jù)本發(fā)明包括多重被引導質量系統(tǒng)的一個三軸陀螺儀的一個實施例。
詳細說明
[0020]提供以下說明是為了使得本領域普通技術人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且以下說明是在一項專利申請及其要求的背景下提供的。對于這些優(yōu)選實施例的不同修改和在此說明的一般原理和特征將是本領域技術人員容易了解的。因而，本發(fā)明并不旨在限于所示的這些實施例、而是應被給予與在此說明的這些原理和特征一致的最廣泛的范圍。
[0021]圖1A展示了根據(jù)一個實施例包括被應力釋放框架402圍繞的被引導質量系統(tǒng)400的一個單軸陀螺儀。在2011年9月16日提交的名稱為“包括被引導質量系統(tǒng)的微機械陀螺儀(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A ⑶IDED MASS SYSTEM) ”的美國專利申請?zhí)?3/235，296 (IVS-147/5007P)中描述了陀螺儀400，該申請的全部內(nèi)容通過引用結合在此。被引導質量系統(tǒng)400包括聯(lián)接到一個縱搖檢測質量650上的一個對稱式被引導質量系統(tǒng)200。應力釋放框架402經(jīng)由彈簧108a和108b被連接到引導臂104a和104b上并且環(huán)繞這個對稱式被引導質量系統(tǒng)200。應力釋放框架402包括兩個應力釋放框架構件404a和404b，這兩個應力釋放框架構件對應地經(jīng)由應力釋放彈簧408a-d被聯(lián)接到錨固件406a和406b。錨固件406a和406b被附接到基底101上。應力釋放構件404a和404b也可以是撓性的。
[0022]在一個實施例中，對稱式被引導質量系統(tǒng)200包括引導臂104a和104b。兩個引導臂104a和104b經(jīng)由彈簧103a-b和103c_d對應地被撓性地聯(lián)接到檢測質量102a和檢測質量102b。這些引導臂104a和104b、檢測質量102a和102b以及聯(lián)接彈簧103a_d形成一個平面四桿聯(lián)動裝置。
[0023]在一個實施例中，對稱式被引導質量系統(tǒng)200可以由聯(lián)接到這些致動器109a_d上的一個驅動電路來以一定頻率進行驅動。在所說明的這些實施例中，這個驅動電路可以是一個單一驅動電路或多個驅動電路。當被引導質量系統(tǒng)200被驅動時，每個彈簧103a、103b、103c、103d、108a和108b在平面內(nèi)彎曲并且表現(xiàn)為就像用于該四桿聯(lián)動裝置旋轉的一個樞轉點，從而使得每個引導臂104a和104b可以在Z方向圍繞不同軸線進行平面內(nèi)旋轉并且這些檢測質量102a和102b沿X方向進行反相平移。在本說明書中，反相的意思是相反的方向，而同相的意思是同一方向。
[0024]縱搖檢測質量650經(jīng)由彈簧652a和652b被撓性地連接到這兩個檢測質量102a和102b。彈簧652a和652b在扭轉意義上是順性的，使得縱搖檢測質量650可以在Y方向上圍繞一條縱搖感測軸線進行平面外旋轉。彈簧652a和652b是平面內(nèi)順性的從而使得當檢測質量102a和102b在X方向上被反相地驅動時，這個縱搖檢測質量650在Z方向上圍繞一條軸線進行平面內(nèi)旋轉。檢測質量102a-b的反相運動與縱搖檢測質量650圍繞Z軸線的平面內(nèi)旋轉的組合被稱作驅動運動。盡管縱搖檢測質量650在圖1A中被示作一個單一質量，但在其他實施例中，檢測質量650可以包括經(jīng)由撓性元件彼此相連接的許多的質量和板。換言之，檢測質量650可以包括經(jīng)由彈簧652a和652b連接到檢測質量102a和102b上的質量-彈簧系統(tǒng)組合。
[0025]錨固件406a和406b可能由于熱應力、封裝應力或其他外部施加的應力而經(jīng)歷例如平移、擴展或剪切等運動。錨固件運動可以在該對稱式被引導質量系統(tǒng)上引起應力(例如張力)，從而導致例如剛度及共振頻率改變等誤差；錨固件運動還可以導致該對稱式被引導質量系統(tǒng)的不希望的運動從而導致誤差。應力釋放框架402使該對稱式被引導質量系統(tǒng)200的應力和不希望的運動減少。此外，應力釋放框架402并不在該驅動運動中運動。其結果是，施加到該框架上的應力并不被傳遞到這些彈簧而影響該驅動運動。
[0026]圍繞縱搖輸入軸線的角速度將使科里奧利力作用在縱搖檢測質量650上從而產(chǎn)生使縱搖檢測質量650圍繞Y軸旋轉的一個轉矩?？v搖檢測質量650的旋轉幅度是與圍繞該縱搖輸入軸線的角速度成正比的。在一個實施例中，在基底上在縱搖檢測質量650之下沿X方向的相反兩側布置了電極660a和660b。在一個實施例中，電極660a_b是用于檢測該縱搖檢測質量圍繞Y軸的旋轉的多個電容式傳感器?？v搖檢測質量650的旋轉提供了對于圍繞縱搖輸入軸線的角速度的量度。在其他實施例中，該傳感器可以是壓電的、光學的或其他類型的并且其用途將位于本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
[0027]該傳感器的靈敏度是角速度輸入的改變所引起的電容改變量。對縱搖檢測質量650的角速度的傳感器靈敏度取決于縱搖檢測質量650與電極660a-b之間的額定電容。在一個實施例中，這個額定電容是與縱搖檢測質量650和電極660a和660b之間的重疊面積成正比的并且是與檢測質量650和電極660a-b之間的空隙成反比的。檢測質量650與電極660a-b之間的空隙被稱作豎直空隙。這個豎直空隙在圖1B中被展示出，該圖中示出了檢測質量650沿X軸線的一個截面。縱搖檢測質量650與電極660a-b之間的豎直空隙是影響陀螺儀的傳感器靈敏度的主要因素之一。
[0028]盡管圖1A的陀螺儀在多種環(huán)境中有效地工作，在陀螺儀的正規(guī)操作中該豎直空隙的變化產(chǎn)生了傳感器靈敏度變化，這可能導致最終輸出中的錯誤結果。該豎直空隙的變化可能是由像溫度變化或作用在陀螺儀上的外部負載這些外部作用所造成。溫度變化可以由于該基底與用于封裝和組裝的材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)失配而導致基底翹曲。類似地，施加到該陀螺儀上的外部負載可以導致基底101翹曲(見圖1C)。如果該陀螺儀不是和基底一樣多地翹曲，則縱搖檢測質量650與電極660a-b之間的豎直空隙發(fā)生改變。隨后，這種豎直空隙變化引起傳感器靈敏度的變化并且通過環(huán)境影響而引起該陀螺儀的錯誤測量。環(huán)境影響所造成的錯誤結果的嚴重程度取決于該豎直空隙的變化量。
[0029]圖2A示出了一種單軸陀螺儀構形的實施例。圖2A包括圖1A的所有特征，除縱搖檢測質量650之外。縱搖檢測質量651由錨固件800通過彈簧710a-b連接到基底101。彈簧710a-b對于縱搖檢測質量651圍繞Z軸的平面內(nèi)旋轉以及圍繞Y軸的平面外扭轉性旋轉是順性的。另一方面，彈簧710a-b對于平面外的平移(Z方向平移)是非常剛性的。其結果是，任何平面外運動或基底101的翹曲都可以由錨固件800通過彈簧710a-b被傳遞到縱搖檢測質量651。
[0030]圖2B示出了沿翹曲的基底101的Y軸得到的截面的一個實施例。如在圖2B中可以看到，縱搖檢測質量651由于通過錨固件800和彈簧710a-b進行連接而跟隨基底101的運動。因此，當基底處于外部負載或溫度變化中時，縱搖檢測質量651可以基本上跟隨相同量的豎直偏轉。結果是，電極660a-b與縱搖檢測質量651之間的豎直空隙保持相同，并且由于外部影響引起的該單軸陀螺儀的角速度敏感性的變化被消除。
[0031]圖3展示了圖2A中示出的單軸陀螺儀400A的修改，以便實現(xiàn)一種雙軸陀螺儀550。在這個實施例中，縱搖檢測質量653經(jīng)由彈簧系統(tǒng)730被聯(lián)接到基底101。彈簧系統(tǒng)730包括三個撓性元件731a-c和一個剛性元件731d。剛性元件731d經(jīng)由撓性元件731c連接到錨固件802，并且剛性元件731d經(jīng)由彈簧731a-b連接到縱搖檢測質量653。剛性元件731d用于將彈簧731a-b放置成遠離該縱搖檢測質量653的旋轉中心。其結果是，彈簧731a-b的剛度足以使在該驅動運動中它們的彎曲被最小化并且它們與縱搖檢測質量653一起運動。此外，彈簧731a-b在扭轉意義上圍繞X軸是順性的并且在所有其他方向上是非常剛性的，這樣允許縱搖檢測質量653、橫搖檢測質量102a-b以及引導臂104a_b圍繞X軸旋轉。
[0032]彈簧731c順應于平面內(nèi)彎曲從而表現(xiàn)為就像用于檢測質量653圍繞Z軸旋轉的一個樞轉點。彈簧731c圍繞Y軸也是在扭轉意義上順性的。類似于圖2A中給出的實施方式，因為縱搖檢測質量是經(jīng)由錨固件802通過在平面外方向上為剛性的彈簧系統(tǒng)730而連接到基底101上的，縱搖檢測質量653跟隨基底101的運動并且該豎直空隙即使在外部影響(像溫度變化和外部施加的力)之下也保持相同。
[0033]由于彈簧系統(tǒng)730的順性，縱搖檢測質量653可以在扭轉意義上圍繞X軸和Y軸二者進行平面外旋轉。其結果是，該雙軸陀螺儀不僅可以響應于圍繞縱搖輸入軸的角速度而且還可以響應于圍繞橫搖輸入軸線的角速度。
[0034]該對稱式被引導質量系統(tǒng)203可以被聯(lián)接到致動器109a_d上的一個驅動電路以一定頻率來驅動。當這個被引導質量系統(tǒng)203被驅動時，引導臂104a和104b各自在Z方向上圍繞不同軸線進行平面內(nèi)旋轉，橫搖檢測質量102a和102b沿X方向進行反相平移并且檢測質量653圍繞Z軸進行旋轉。圍繞橫搖輸入軸線的角速度將使科里奧利力在Z方向上反相地作用于橫搖檢測質量102a和102b上。
[0035]這些科里奧利力使被引導質量系統(tǒng)203圍繞X軸進行平面外旋轉。當被引導質量系統(tǒng)203進行平面外旋轉時，這些引導臂104a和104b圍繞X軸旋轉，并且橫搖檢測質量102a和102b被引導臂104a和104b約束為進行平面外反相運動。在橫搖檢測質量102a和102b之下的電極112a和112b對應地被用于檢測該被引導質量系統(tǒng)200圍繞第一橫搖感測軸線的旋轉。這種旋轉提供了對于圍繞橫搖輸入軸線的角速度的一種量度。
[0036]圍繞縱搖感測軸線的角速度的檢測機構與圖2A中給出的構形相同。圍繞縱搖輸入軸線的角速度將使科里奧利力作用在縱搖檢測質量653上從而產(chǎn)生了使縱搖檢測質量653圍繞Y軸旋轉的一個轉矩，這是因為彈簧731c圍繞Y軸在扭轉意義上是順性的。縱搖檢測質量653的旋轉幅值是與圍繞縱搖輸入軸線的角速度成正比的。在基底上在縱搖檢測質量653之下沿X方向的相反兩側上布置了電極660a和660b,并且這些電極檢測該縱搖檢測質量圍繞Y軸的旋轉。
[0037]圖4A展示了根據(jù)本發(fā)明包括被引導質量系統(tǒng)150的單軸縱搖陀螺儀的一個實施例。這個被引導質量系統(tǒng)150包括引導臂104a和104b，這些引導臂經(jīng)由至少一個錨固點106通過彈簧108a和108b被撓性地聯(lián)接到基底101。這兩個引導臂104a和104b經(jīng)由彈簧103a和103b被撓性地聯(lián)接到一個檢測質量102a上。
[0038]檢測質量102a、引導臂104a和104b、錨固點106、以及彈簧103a、103b、108a和108b形成一個平面四桿聯(lián)動裝置。每個彈簧103a、103b、108a和108b發(fā)生平面內(nèi)彎曲并且表現(xiàn)為就像用于該四桿聯(lián)動裝置旋轉的樞轉點，從而當檢測質量102a在X方向上平移時，每個引導臂104a和104b可以在Z方向圍繞不同軸線進行平面內(nèi)旋轉。
[0039]被引導質量系統(tǒng)150還包括一個縱搖檢測質量651?？v搖檢測質量651經(jīng)由彈簧652a被撓性地聯(lián)接到檢測質量102a并且經(jīng)由一個錨固件800通過彈簧710a-b被連接到基底101。彈簧652a和彈簧710a-b是平面內(nèi)順性的，這樣使得當梳型指件109a_b施加的靜電力使該檢測質量102a在X方向被驅動時，縱搖檢測質量651在該驅動模式下沿著Z方向圍繞一條軸線進行平面內(nèi)旋轉。
[0040]彈簧710a_b對于該縱搖檢測質量圍繞Y軸的平面外旋轉也是順性的。另一方面，彈簧710a-b對于平面外平移(Z方向平移)是非常剛性的。其結果是，基底101的任何平面外運動或翹曲都可以經(jīng)由錨固件800通過彈簧710a-b被傳遞到縱搖檢測質量651。因而，當該基底處于外部負載或溫度變化中時，縱搖檢測質量651可以跟隨相同量的豎直偏轉，這樣減小了該豎直空隙的變化。
[0041]圍繞縱搖輸入軸線的角速度將使科里奧利力作用于縱搖檢測質量651上從而產(chǎn)生使縱搖檢測質量651圍繞與縱搖輸入軸線正交的縱搖感測軸線進行旋轉的一個轉矩?？v搖檢測質量651的旋轉幅值是與圍繞縱搖輸入軸線的角速度成正比的。在基底上在縱搖檢測質量651之下沿著X方向的相反兩側布置了電極660a和660b并且這些電極檢測該縱搖檢測質量圍繞Y軸的旋轉。圍繞Y軸的旋轉提供了對于圍繞縱搖輸入軸線的角速度的一種量度。
[0042]圖4B示出了圖4A中給出的單軸陀螺儀的一個不同實施例。在圖4B中，檢測質量651被放置在由檢測質量102a、引導臂104a和104b、錨固點106、以及彈簧103a、103b、108a、和108b限定的四桿聯(lián)動裝置的外部。如果該四桿聯(lián)動裝置所包圍的面積是有限的或者出于任何其他設計目的(例如，一個用于感測圍繞偏擺軸線的角速度的額外檢測質量或多個額外的驅動電極)，可以使用圖4B中給出的實施例。
[0043]圖5展示了圖4A中所示的單軸陀螺儀的修改的一個實施例，用于實現(xiàn)一種雙軸陀螺儀。在這個實施例中，檢測質量653經(jīng)由彈簧系統(tǒng)730被聯(lián)接到基底101。彈簧系統(tǒng)730包括三個撓性元件731a-c和一個剛性元件731d。剛性元件731d經(jīng)由撓性元件731c被連接到錨固件802，并且剛性元件731d經(jīng)由彈簧731a-b被連接到縱搖檢測質量653。
[0044]彈簧731a_b圍繞X軸在扭轉意義上是順性的并且在所有其他方向上是非常剛性的，這樣允許縱搖檢測質量653、橫搖檢測質量102a和引導臂104a_b圍繞X軸旋轉。彈簧731c順應于平面內(nèi)彎曲從而表現(xiàn)為就像用于檢測質量653圍繞Z軸旋轉的一個樞轉點。彈簧731c圍繞Y軸在扭轉意義上也是順性的。
[0045]類似于圖2A給出的實施方式，由于縱搖檢測質量653是經(jīng)由錨固件802通過在平面外的方向上為剛性的彈簧系統(tǒng)730而連接到基底上的，該縱搖檢測質量跟隨基底的運動并且該豎直空隙即使在外部影響(像溫度變化和外部負載)之下也保持相同。
[0046]圖5中給出的縱搖檢測質量653可以在彈簧系統(tǒng)730的幫助下而在扭轉意義上圍繞X軸和Y軸二者進行平面外旋轉。其結果是，該雙軸陀螺儀不僅可以響應于圍繞縱搖輸入軸線的角速度而且還可以響應于圍繞橫搖輸入軸線的角速度。
[0047]在一個實施例中，被引導質量系統(tǒng)300可以被聯(lián)接到致動器109a_b上一個驅動電路以一定頻率來驅動。當被弓I導質量系統(tǒng)300受到驅動時，弓丨導臂104a和104b各自在Z方向上圍繞不同軸線進行平面內(nèi)旋轉，橫搖檢測質量102a沿X方向進行平移，并且檢測質量653圍繞Z軸進行旋轉。圍繞橫搖輸入軸線的角速度將使科里奧利力在Z方向作用于橫搖檢測質量102a上。這些科里奧利力使被引導質量系統(tǒng)300圍繞X軸進行平面外旋轉。當被引導質量系統(tǒng)300進行平面外旋轉時，引導臂104a和104b圍繞X軸旋轉，并且橫搖檢測質量102a被引導臂104a和104b約束為進行平面外運動。橫搖檢測質量102a之下的多個電極112a被用來檢測被引導質量系統(tǒng)300圍繞第一橫搖感測軸線的旋轉。這種旋轉提供了對于圍繞橫搖輸入軸線的角速度的一種量度。
[0048]被引導質量系統(tǒng)300圍繞縱搖感測軸線的角速度的檢測機構與圖4A中給出的構形相同。圍繞縱搖輸入軸線的角速度將使科里奧利力作用于縱搖檢測質量653上從而產(chǎn)生使縱搖檢測質量653圍繞Y軸旋轉的一個轉矩，這是因為彈簧731c圍繞Y軸在扭轉意義上是順性的?？v搖檢測質量653的旋轉幅值是與圍繞縱搖輸入軸線的角速度成正比的。在基底上在縱搖檢測質量650之下沿X方向的相反兩側布置了電極660a和660b并且這些電極檢測該縱搖檢測質量圍繞Y軸線的旋轉。
[0049]圖6展示了根據(jù)本發(fā)明包括一個平衡式被引導質量系統(tǒng)600的雙軸陀螺儀的實施例。被弓I導質量系統(tǒng)600包括由聯(lián)接彈簧302a聯(lián)接在一起的兩個被弓I導質量系統(tǒng)600a和600b。這些被引導質量系統(tǒng)600a和600b經(jīng)由彈簧108a_d連接到錨固件106a_d上。
[0050]對稱式被引導質量系統(tǒng)600a圍繞一條第一橫搖感測軸線進行平面外旋轉。對稱式被引導質量系統(tǒng)600b圍繞在平面內(nèi)的并且與該第一橫搖感測軸線平行的一條第二橫搖感測軸線進行平面外旋轉。聯(lián)接彈簧302a被連接到橫搖檢測質量102b和102c上。聯(lián)接彈簧302a圍繞X方向上的一條軸線在扭轉意義上是順性的，這樣使得這些對稱式被引導質量系統(tǒng)600a和600b可以圍繞該第一橫搖感測軸線和第二橫搖感測軸線進行反相的平面外旋轉。聯(lián)接彈簧302a在Z方向是剛性的，這樣防止了對稱式被引導質量系統(tǒng)600a和600b的同相的平面外旋轉。
[0051]在一個實施例中，縱搖檢測質量650a和650b經(jīng)由彈簧652a_d而各自被撓性地連接到它們的對應的四個橫搖檢測質量102a-102d上。彈簧652a和652b在扭轉意義上是順性的，而使得縱搖檢測質量650a可以在Y方向圍繞一條第一縱搖感測軸線進行平面外旋轉，并且彈簧652c和652d在扭轉意義上是順性的，而使得縱搖檢測質量650b可以在Y方向上圍繞一條第二縱搖感測軸線進行平面外旋轉。
[0052]在這個實施例中，檢測質量650a和650b對應地經(jīng)由彈簧系統(tǒng)831和832同樣被聯(lián)接到基底。在一個實施例中，彈簧系統(tǒng)831和832是與彈簧系統(tǒng)730相同。類似于圖3中給出的實施方式，縱搖檢測質量650a和650b跟隨基底的運動，并且基底與這些檢測質量之間的豎直空隙甚至在像溫度變化和外部施加的力這些外部影響之下也保持相同。
[0053]這兩個對稱式被引導質量系統(tǒng)600a和600b被安排成使得這些橫搖檢測質量102a-d都在X方向上運動。聯(lián)接彈簧302a在X方向上是剛性的，以使得橫搖檢測質量102b和102c在X方向上一起運動。橫搖檢測質量102a和102d與橫搖檢測質量102b和102c相反地運動。
[0054]彈簧652a_d是平面內(nèi)順性的，這樣使得當橫搖檢測質量102a_d受到驅動時，縱搖檢測質量650a和650b在Z方向上圍繞多條分離的軸線進行反相的平面內(nèi)旋轉。靜電致動器109a_h (例如梳型驅動器)被連接到橫搖檢測質量102a_d上以驅動該平衡式被引導質量系統(tǒng)600。包括橫搖檢測質量102a-d和縱搖檢測質量650a和650b的這兩個被引導質量系統(tǒng)600a和600b —起被聯(lián)接到致動器109a-h上的一個驅動電路以一定頻率驅動。
[0055]在X方向圍繞縱搖輸入軸線的角速度將使科里奧利力圍繞該第一縱搖感測軸線和第二縱搖感測軸線分別作用于縱搖檢測質量650a和650b上。這些科里奧利力致使縱搖檢測質量650a和650b圍繞該第一縱搖感測軸線和第二縱搖感測軸線進行反相的平面外旋轉。縱搖檢測質量650a和650b圍繞該第一縱搖感測軸線和第二縱搖感測軸線的旋轉幅值是與圍繞縱搖輸入軸線的角速度成正比的。
[0056]在一個實施例中，位于縱搖檢測質量650a和650b之下的傳感器660a_660d被用于檢測圍繞該第一縱搖感測軸線和第二縱搖感測軸線的反相旋轉。圍繞該橫搖輸入軸線的外部施加的角加速度將在縱搖檢測質量650a和650b上產(chǎn)生同相的慣性轉矩，從而使這些檢測質量圍繞該第一縱搖感測軸線和第二縱搖感測軸線進行平面內(nèi)旋轉。傳感器660a和660d可以相聯(lián)接并且傳感器660b和660c可以相聯(lián)接，這樣使得不檢測這些縱搖檢測質量650a和650b的平面內(nèi)旋轉，而是檢測反相旋轉。
[0057]圍繞橫搖輸入軸線的角速度將使科里奧利力在Z方向上作用于橫搖檢測質量102a-d。這些科里奧利力致使該對稱式被引導質量系統(tǒng)600a和600b圍繞該第一橫搖感測軸線和第二橫搖感測軸線進行反相的平面外旋轉。位于橫搖檢測質量102a_d之下的傳感器112a-c被用于檢測這些對稱式被引導質量系統(tǒng)600a和600b的旋轉。圍繞該縱搖輸入軸線的外部施加的角加速度將在這些對稱式被引導質量系統(tǒng)600a和600b上產(chǎn)生同相的慣性轉矩。
[0058]然而，這些對稱式被弓I導質量系統(tǒng)600a和600b并不旋轉，這是因為聯(lián)接彈簧302a防止了圍繞該第一橫搖感測軸線和第二橫搖感測軸線的同相旋轉。傳感器112a和112c可以相聯(lián)接，從而使得不檢測這些對稱式被引導質量系統(tǒng)600a和600b的同相旋轉，而是檢測反相旋轉。
[0059]圖7展示了根據(jù)本發(fā)明包括一個多重被引導質量系統(tǒng)1200的三軸陀螺儀的一個實施例。該多重被引導質量系統(tǒng)1200包括與一個應力釋放框架402相聯(lián)接的多重被引導質量系統(tǒng)1100。
[0060]應力釋放框架402經(jīng)由彈簧108a-f被對應地連接到引導臂104a_f上并且環(huán)繞了該多重被引導質量系統(tǒng)1100。被引導質量系統(tǒng)500a、500b和600被安排成使得，當橫搖檢測質量102a-d都在X方向上運動時，縱搖檢測質量653在Z方向圍繞一條軸線進行旋轉，并且偏擺檢測質量518a和518b在X方向上進行反相運動。這些被引導質量系統(tǒng)500a、500b和600 —起被聯(lián)接到致動器109a-h上的一個驅動電路以一定頻率驅動。
[0061]在一個實施例中，圍繞縱搖輸入軸線的角速度致使科里奧利力作用于縱搖檢測質量653上從而產(chǎn)生使縱搖檢測質量653圍繞縱搖感測軸線旋轉的一個轉矩?？v搖檢測質量653的旋轉幅值是與圍繞縱搖輸入軸線的角速度成正比的。在縱搖檢測質量653之下沿X方向的相反兩側布置了電極660a和660b并且這些電極檢測該縱搖檢測質量圍繞縱搖感測軸線的旋轉。這種旋轉提供了對于圍繞縱搖輸入軸線的角速度的一種量度。類似于圖5中給出的縱搖檢測質量的構形，檢測質量653經(jīng)由錨固件802通過使用彈簧系統(tǒng)730被連接到基底上。
[0062]圍繞橫搖輸入軸線的角速度致使科里奧利力在Z方向上作用于橫搖檢測質量102a和102b并且在相反的Z方向上作用于橫搖檢測質量102c和102d。這些科里奧利力致使這些被引導質量系統(tǒng)500a、600和500b分別圍繞第一橫搖感測軸線、第二橫搖感測軸線和第三橫搖感測軸線進行平面外旋轉。位于橫搖檢測質量102a和102b之下的電極112a以及位于橫搖檢測質量102c和102d之下的電極112b被用于檢測該被引導質量系統(tǒng)1100的旋轉。這種旋轉提供了對于圍繞橫搖輸入軸線的角速度的一種量度。
[0063]圍繞偏擺輸入軸線的角速度致使科里奧利力作用于偏擺檢測質量518a和518b上從而引起這些偏擺檢測質量518a和518b沿Y方向的反相運動。這些偏擺檢測質量沿Y方向的運動幅值是與角速度成正比的。電極522a和522b被用于感測相應的偏擺檢測質量518a和518b沿Y方向的運動。
[0064]盡管已經(jīng)根據(jù)所示的這些實施例說明了本發(fā)明，但本領域普通技術人員將容易認識到，可以存在對這些實施例的變更并且這些變更將位于本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。因此，本領域普通技術人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出許多修改。
【權利要求】
1.一種陀螺儀，包括: 一個基底； 一個被引導質量系統(tǒng)，該被引導質量系統(tǒng)包括至少一個第一檢測質量、至少一個第二檢測質量和至少一個引導臂； 其中該至少一個第一檢測質量、該至少一個第二檢測質量和該至少一個引導臂被布置在平行于該基底的一個平面內(nèi)； 其中該至少一個第一檢測質量通過至少一個第一彈簧被聯(lián)接到該至少一個引導臂；其中該至少一個第二檢測質量通過至少一個第二彈簧被聯(lián)接到該至少一個第一檢測質量; 其中該至少一個引導臂通過至少一個第三彈簧被聯(lián)接到該基底； 其中該至少一個第二檢測質量通過至少一個第四彈簧被聯(lián)接到該基底； 一個致動器致使該至少一個第一檢測質量在一個第一方向振動并且致使該至少一個第二檢測質量以及該至少一個引導臂在該平面內(nèi)旋轉；以及 至少一個傳感器，該至少一個傳感器用于感測該被引導質量系統(tǒng)的一個部分響應于圍繞該平面內(nèi)的一條第一輸入軸線的角速度而在該平面外進行的運動。
2.如權利要求1所述的陀螺儀，其中該至少一個引導臂以及該至少一個第二檢測質量由一個錨固件被聯(lián)接到該基底。
3.如權利要求1所述的陀螺儀，其中該至少一個第二檢測質量以及該至少一個引導臂在同一方向上旋轉。
4.如權利要求1所述的陀螺儀，其中該至少一個第二檢測質量以及該至少一個引導臂在相反方向上旋轉。
5.如權利要求1所述的陀螺儀，其中該至少一個傳感器感測該至少一個第二檢測質量響應于圍繞一條平行于該第一方向的輸入軸線的角速度而在該平面外進行的運動。
6.如權利要求1所述的陀螺儀，其中該至少一個引導臂以及該至少一個第一檢測質量能夠圍繞一條第一感測軸線在該平面外旋轉，該第一感測軸線是在該平面內(nèi)的并且平行于該第一方向。
7.如權利要求1所述的陀螺儀，該至少一個傳感器感測該至少一個第一檢測質量響應于圍繞該第一輸入軸線的角速度而在該平面外進行的運動；該第一輸入軸線是在該平面內(nèi)的并且與該第一方向正交。
8.如權利要求1所述的陀螺儀，其中該至少一個第四彈簧在該平面內(nèi)是順性的從而允許在該平面內(nèi)的旋轉、并且在該平面外是順性的從而允許圍繞一條第二感測軸線的旋轉，其中該第二感測軸線是在該平面內(nèi)的并且與該第一方向正交。
9.如權利要求8所述的陀螺儀，其中該第二檢測質量被連接到至少一個第五彈簧上，其中該至少一個第五彈簧被連接到至少一個剛性元件上，其中該至少一個剛性元件被連接到該第四彈簧上，其中該至少一個第五彈簧圍繞一條第一感測軸線是順性的。
10.如權利要求8所述的陀螺儀，進一步包括一個第二傳感器；其中該第二傳感器感測該至少一個第二檢測質量響應于圍繞一條平行于該第一方向的輸入軸線的角速度而在該平面外進行的運動。
11.一種陀螺儀，包括: 一個基底； 一個被引導質量系統(tǒng)，該被引導質量系統(tǒng)包括至少一個第一檢測質量、至少一個第二檢測質量、至少一個中心檢測質量以及至少一個引導臂， 其中該至少一個第一檢測質量、該至少一個第二檢測質量、該至少一個中心檢測質量以及該至少一個引導臂被布置在平行于該基底的一個平面內(nèi)， 該至少一個第一檢測質量通過至少一個第一彈簧被聯(lián)接到該至少一個引導臂并且該至少一個第二檢測質量通過至少一個第二彈簧被聯(lián)接到該至少一個引導臂； 該至少一個中心檢測質量通過至少一個第三彈簧被聯(lián)接到該至少一個第一檢測質量并且該至少一個中心檢測質量通過至少一個第四彈簧被聯(lián)接到該至少一個第二檢測質量; 該至少一個引導臂通過至少一個第五彈簧被聯(lián)接到該基底； 該至少一個中心檢測質量由至少一個錨固件通過至少一個第六彈簧被聯(lián)接到該基底； 其中該至少一個引導臂允許該至少一個第一檢測質量和該至少一個第二檢測質量在該平面內(nèi)在一個第一方向進行反相運動； 一個致動器致使該至少一個第一檢測質量以及該至少一個第二檢測質量在該第一方向上反相振動、致使該至少一個中心檢測質量以及至少一個引導臂在該平面內(nèi)旋轉；以及至少一個傳感器，該至少一個傳感器用于感測該被引導質量系統(tǒng)的一個部分響應于圍繞該平面內(nèi)的一條第一輸入軸線的角速度而在該平面外進行的運動。
12.如權利要求11所述的陀螺儀，進一步包括: 一個應力釋放框架， 其中，該至少一個引導臂經(jīng)由該至少一個第五彈簧被聯(lián)接到該應力釋放框架， 其中該應力釋放框架通過一個錨固件被聯(lián)接到該基底， 其中該應力釋放框架響應于該致動器基本上不振動。
13.如權利要求11所述的陀螺儀，其中該至少一個引導臂、該至少一個第一檢測質量、以及該至少一個第二檢測質量能夠在該平面外圍繞該第一感測軸線進行旋轉。
14.如權利要求13所述的陀螺儀，其中該至少一個第六彈簧在該平面內(nèi)是順性的從而允許在該平面內(nèi)的旋轉、并且在該平面外是順性的從而允許圍繞一條第二感測軸線的旋轉。
15.如權利要求11所述的陀螺儀，其中該至少一個中心檢測質量被連接到至少一個第七彈簧上，其中該至少一個第七彈簧被連接到至少一個剛性元件上，其中該至少一個剛性元件被連接到該第六彈簧上，其中該至少一個第七彈簧圍繞一條第一感測軸線是順性的。
16.如權利要求11所述的陀螺儀，該至少一個傳感器感測該至少一個第一檢測質量響應于圍繞該第一輸入軸線的角速度而在該平面外進行的運動；該第一輸入軸線是在該平面內(nèi)的并且與該第一方向正交。
17.如權利要求11所述的陀螺儀，進一步包括至少第二傳感器，其中該第二傳感器感測該至少一個中心檢測質量響應于圍繞與該第一方向平行的一條輸入軸線的角速度而在該平面外進行的運動。
18.一種陀螺儀，包括: 一個基底； 一個第一被引導質量系統(tǒng)和一個第二被引導質量系統(tǒng)； 聯(lián)接該第一被弓I導質量系統(tǒng)和該第二被弓I導質量系統(tǒng)的一個連接彈簧， 該第一被引導質量系統(tǒng)和該第二被引導質量系統(tǒng)各自包括至少一個第一檢測質量、至少一個第二檢測質量、至少一個中心檢測質量以及至少一個弓I導臂， 其中該至少一個第一檢測質量、該至少一個第二檢測質量、該至少一個中心檢測質量以及該至少一個引導臂是平行于該基底布置的， 其中該至少一個中心檢測質量被聯(lián)接到該至少一個第一檢測質量和該至少一個第二檢測質量， 其中該至少一個第一檢測質量和該至少一個第二檢測質量被聯(lián)接到該至少一個引導臂， 其中該至少一個中心檢測質量被聯(lián)接到該基底并且該至少一個引導臂被聯(lián)接到該基底， 其中該至少一個中心檢測質量能夠圍繞在平面內(nèi)的并且與一個第一方向正交的一條感測軸線進行旋轉， 其中該至少一個引導臂允許該至少一個第一檢測質量和該至少一個第二檢測質量在該平面內(nèi)在一個第一方向上進行反相運動； 用于使該第一被引導質量系統(tǒng)和該第二被引導質量系統(tǒng)振動的一個致動器致使該至少一個第一檢測質量和該至少一個第二檢測質量沿著該第一方向反相地運動， 其中該第一被引導質量系統(tǒng)的該至少一個中心檢測質量以及該第二被引導質量系統(tǒng)的該中心檢測質量圍繞一條垂直于該平面的軸線反相地旋轉；以及 至少一個傳感器，該至少一個傳感器用于感測該第一被引導質量系統(tǒng)和該第二被引導質量系統(tǒng)的一個部分響應于圍繞該平面內(nèi)的一條輸入軸線的角速度而在該平面外進行的運動。
19.如權利要求18所述的陀螺儀，其中該連接彈簧將該第一被引導質量系統(tǒng)的該第一檢測質量與該第二被引導質量系統(tǒng)的該第二檢測質量相聯(lián)接。
20.如權利要求18所述的陀螺儀，其中該第一被引導質量系統(tǒng)的該第一檢測質量以及該第二被引導質量系統(tǒng)的該第一檢測質量具有反相運動。
21.如權利要求18所述的陀螺儀，其中該第一被引導質量系統(tǒng)圍繞一條第一軸線旋轉，該第二被引導質量系統(tǒng)圍繞一條第二軸線旋轉，該第一被引導質量系統(tǒng)和該第二被引導質量系統(tǒng)圍繞該第一軸線和該第二軸線反相旋轉，其中該第一軸線和該第二軸線是在該平面內(nèi)的并且平行于該第一方向。
22.如權利要求18所述的陀螺儀，該至少一個傳感器感測該第一被引導質量系統(tǒng)和該第二被引導質量系統(tǒng)的該至少一個中心檢測質量響應于圍繞在該平面內(nèi)的并且平行于該第一方向的一條軸線的角速度而進行的運動。
23.如權利要求22所述的陀螺儀，進一步包括至少一個第二傳感器，該至少一個第二傳感器用于感測該第一被引導質量系統(tǒng)和該第二被引導質量系統(tǒng)的該第一檢測質量和該第二檢測質量響應于在該平面內(nèi)的并且與該第一方向正交的角速度而進行的運動。
24.如權利要求18所述的陀螺儀，該第一被引導質量系統(tǒng)的該中心檢測質量和該第二被引導質量系統(tǒng)的該中心檢測質量響應于圍繞在該平面內(nèi)的并且平行于該第一方向的一條軸線的角速度而圍繞它們的相應感測軸線進行反相旋轉。
25.—種陀螺儀，包括: 一個基底； 一個被引導質量系統(tǒng)，該被引導質量系統(tǒng)包括至少一個第一檢測質量和至少一個第二檢測質量、至少一個中心檢測質量、以及至少一個引導臂， 其中該至少一個第一檢測質量、該至少一個第二檢測質量和該至少一個中心檢測質量、以及該至少一個引導臂是平行于該基底布置的， 其中該至少一個第一檢測質量被聯(lián)接到該至少一個引導臂， 其中該至少一個第二檢測質量被聯(lián)接到該至少一個第一檢測質量， 其中該至少一個中心檢測質量被聯(lián)接到該第一檢測質量并且被聯(lián)接到該基底， 其中該至少一個引導臂被聯(lián)接到該基底； 用于使該被引導質量系統(tǒng)振動的一個致動器， 其中該至少一個引導臂在平面內(nèi)旋轉并且允許該至少第一檢測質量和第二檢測質量在平行于該基底的一個平面內(nèi)沿一個第一方向運動， 其中該至少一個中心檢測質量圍繞垂直于該平面的一條軸線進行旋轉， 其中該至少一個引導臂以及該至少一個第一檢測質量和該至少一個第二檢測質量響應于圍繞在該平面內(nèi)的并且與該第一方向正交的一條第一輸入軸線的角速度而圍繞一條第一感測軸線進行旋轉，該第一感測軸線是平面內(nèi)的并且平行于該第一方向； 其中該至少一個中心檢測質量響應于圍繞在該平面內(nèi)的并且平行于該第一方向的該第二輸入軸線的角速度而圍繞在平面內(nèi)的并且與該第一方向正交的一條軸線進行旋轉，其中該第二檢測質量能夠響應于圍繞一條垂直于該平面的第三輸入軸線的角速度而在平面內(nèi)在與該第一方向正交的一個方向上進行運動； 一個第一傳感器，該第一傳感器用于感測該第一檢測質量的一個部分響應于圍繞該第一輸入軸線的角速度而進行的運動； 一個第二傳感器，該第二傳感器用于感測該被引導質量系統(tǒng)的一個部分響應于圍繞該第二輸入軸線的角速度而進行的運動；以及 一個第三傳感器，該第三傳感器用于感測該被引導質量系統(tǒng)的一個部分響應于圍繞該第三輸入軸線的角速度而進行的運動。
26.如權利要求25所述的裝置，該中心質量由一個杠桿臂聯(lián)接到該基底，其中該致動器致使該杠桿臂圍繞與該平面正交的一條軸線旋轉，并且其中該杠桿臂響應于圍繞在該平面內(nèi)的并且平行于該第一方向的該第二輸入軸線的角速度而圍繞在該平面內(nèi)的并且與該第一方向正交的一條軸線進行旋轉。
【文檔編號】G01C19/5712GK104515517SQ201410505767
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權日:2013年9月30日
【發(fā)明者】奧贊·阿納奇, 約瑟夫·西格 申請人:因文森斯公司