CN105300368A - 一种全对称解耦的直接输出频率振动陀螺 - Google Patents
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Abstract
一种全对称解耦的直接输出频率振动陀螺，这种陀螺的设计特点在于：(1)采用直接输出频率，极大地减少了信号损失，实现微弱的科氏效应调频调制。(2)采用全对称结构，使得驱动和检测模态的谐振频率非常容易匹配，同时也能实现两个模态的阻尼匹配，能降低由于工艺误差以及环境温度变化引起的漂移。(3)采用双框架式解耦结构，可以降低正交误差，提高陀螺的信噪比。(4)采用差动谐振结构，可以增加灵敏度，抑制大多数类型的共模干扰。(5)平面方案设计，易于适应线切割加工或MEMS相关工艺，易于小型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接输出频率振动陀螺，特别是一种全对称解耦的直接输出频率振动陀螺结构，属于谐振式陀螺设计领域的总体结构设计方向。
背景技术
近年来，随着微机械技术的发展，制造价格便宜体积小并且性能良好的微机械陀螺正成为研究的热点。研究人员为提高微机械陀螺的性能，采用了一系列方法，如设计一种新型结构，驱动与检测电路的优化控制，驱动模态和检测模态谐振频率匹配，真空封装等方法。虽然这些方法在一定程度会提高灵敏度，但是改进的同时也会带来一些新的问题，如驱动模态和检测模态谐振频率接近时，机械耦合会造成陀螺性能的下降，特别是工艺精度不高的情况下，工艺偏差使机械耦合更加严重；真空封装虽然可以提高陀螺***的品质因子，但是增加工艺难度和制作成本的同时也降低了器件长期工作稳定性。最关键的是他们有一个共同的特点就是都是利用电容检测微小的电容变化量从而解调出被测信号，电容信号是一种典型的微弱模拟信号，不仅不容易精确检测而且受环境干扰很大。因此，如何既能实现驱动模态和检测模态谐振频率的匹配，又能降低模态之间的耦合，被测信号受干扰程度小易检测是微机械陀螺的技术难点。因此，研制一种能实现信号容易检测，灵敏度高，在常压下稳定工作的微机械振动式陀螺，是目前微机械陀螺敏感结构亟待解决的课题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种直接输出频率的振动陀螺，以提高振动陀螺的输出信号抗干扰能力；提出一种全对称框架式解耦结构，以提高振动陀螺的灵敏度。
本发明的技术解决方案：一种全对称解耦的直接输出频率振动陀螺，所述陀螺结构为整体呈全对称分布，包括质量块，第一驱动弹性梁、第二驱动弹性梁、第三驱动弹性梁、第四驱动弹性梁、第一检测弹性梁、第二检测弹性梁、第三检测弹性梁、第四检测弹性梁，内框架，外框架，第一谐振音叉和第二谐振音叉；质量块与第一驱动弹性梁、第二驱动弹性梁、第三驱动弹性梁、第四驱动弹性梁、内框架组成驱动谐振***，第一驱动弹性梁、第二驱动弹性梁、第三驱动弹性梁、第四驱动弹性梁作为四个弹性支撑皆为水平放置，第一驱动弹性梁、第二驱动弹性梁、连接于质量块顶部中心，第三驱动弹性梁和第四驱动弹性梁连接于质量块底部中心；外框架与第一检测弹性梁、第二检测弹性梁、第三检测弹性梁、第四检测弹性梁、第一谐振音叉和第二谐振音叉组成检测谐振***，第一检测弹性梁、第二检测弹性梁、第三检测弹性梁、第四检测弹性梁作为四个弹性支撑皆为水平放置，第一检测弹性梁、第二检测弹性梁、连接于内框架顶部，第三检测弹性梁和第四检测弹性梁连接于内框架底部，第一谐振音叉和第二谐振音叉沿y方向水平放置于外框架与内框架的中心；第一谐振音叉和第二谐振音叉通过谐振频率的改变感受从框架机构传递的科氏惯性力。
所述陀螺的结构设计针对平面加工工艺，即为针对线切割机械加工工艺或者MEMS结构的光刻、腐蚀工艺，整块原料加工一体成型，部件之间是一个整体，直接连接在一起，无可拆卸零件。
所述整体呈全对称分布是指呈x和y方向全对称。
所述内框架和外框架是内外双框架解耦结构。
所述质量块结构呈“工”型，内框架的结构呈折叠型即“艹”型。
所述第一谐振音叉和第二谐振音叉形成一对差动谐振体，在同一时刻一个谐振音叉的谐振频率增高时，另一个谐振频率降低。
本发明利用框架机构将科氏惯性力传递为谐振音叉的轴向力。第一谐振音叉和第二谐振音叉为检测谐振***，交变的科氏惯性力交变地改变谐振梁的自然角频率，通过谐振音叉的自激振荡***，谐振音叉可以跟踪自身自然角频率点的变化。输出信号的频率量就是谐振音叉自身的自然角频率大小。由于谐振音叉自然角频率同科氏惯性力大小呈线性关系，检测输出信号的频率就可以解算出角速率外载荷的大小。
本发明的工作原理：当驱动谐振***(弹性梁质量块)处于谐振状态时在y方向产生一个交变的速度。在整个结构受到一个沿z方向的角速度载荷时，x方向就会相应的产生一个交变的哥氏加速度，使得检测谐振***在x方向产生一个交变的振动。这个振动通过检测音叉周期地改变两个谐振音叉的轴向应力，则两个谐振音叉的谐振频率相应的发生周期性的改变。两个谐振音叉采用差动方案，两者谐振频率之差代表质量块在x方向上的位移引起的谐振音叉轴向应力的大小。检测两个谐振音叉谐振频率差值的变化峰-峰值就检测出质量块在x方向上的振动强度，从而根据哥氏加速度定理可以计算出z方向的转动角速度载荷大小。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)以往的振动陀螺都属于幅值量检测方案。本发明提出的全对称解耦结构的直接输出频率振动陀螺，由于其检测手段彻底实现了直接输出频率，可以说是一种新颖的、真正意义上的数字化陀螺，实现了一次敏感和二次敏感元件的全频率量输出，将微弱的科氏效应以谐振的方式实现了调频调制，以及调频信号输出。由于调频信号的稳定性和抗干扰能力，传感器的稳定性、灵敏度和测量精度得到了提高，输出信号也可以很容易的实现同计算机的接口而不需要额外调制解调电路。
(2)质量块设计成“工”字型，内框架设计成折叠型即“艹”型，既保证全对称，又能减少陀螺的整体尺寸。
(3)采用全对称结构，使得驱动和检测模态的谐振频率非常容易匹配，同时也能实现两个模态的阻尼匹配，以及降低由于工艺误差以及环境温度变化引起的漂移，提高陀螺的灵敏度。
(4)双框架式解耦结构，可以降低正交误差，提高陀螺的信噪比。
(5)两个谐振音叉在同一时刻一个被拉伸，另一个被压缩，输出频率的差代表传感器输出。差动的频率输出方式使传感器的抗干扰能力得到进一步加强，有能力排除大多数的加速度干扰和其他方向的角速率载荷干扰，可以增加灵敏度。
附图说明
图1为本发明的一种全对称解耦的直接输出频率振动陀螺结构平面示意图；
图2为本发明的一种全对称解耦的直接输出频率振动陀螺结构立体示意图。
具体实施方式
本发明陀螺的设计特点在于：(1)采用直接输出频率，极大地减少了信号损失，实现微弱的科氏效应调频调制。(2)采用全对称结构，使得驱动和检测模态的谐振频率非常容易匹配，同时也能实现两个模态的阻尼匹配，能降低由于工艺误差以及环境温度变化引起的漂移。(3)采用双框架式解耦结构，可以降低正交误差，提高陀螺的信噪比。(4)采用差动谐振结构，可以增加灵敏度，抑制大多数类型的共模干扰。(5)平面方案设计，易于适应线切割加工或MEMS相关工艺，易于小型化。
下面结合附图进行详细说明。
如图1所示，本发明的直接输出频率的振动陀螺结构，包括质量块1，第一驱动弹性梁2、第二驱动弹性梁3、第三驱动弹性梁4、第四驱动弹性梁5、第一检测弹性梁6、第二检测弹性梁7、第三检测弹性梁8、第四检测弹性梁9，内框架10，外框架11，第一谐振音叉12和第二谐振音叉13；质量块1与第一驱动弹性梁2、第二驱动弹性梁3、第三驱动弹性梁4、第四驱动弹性梁5、内框架10组成驱动谐振***，四个弹性支撑皆为水平放置，第一驱动弹性梁2、第二驱动弹性梁3、连接于质量块1顶部中心，第三驱动弹性梁4和第四驱动弹性梁5连接于质量块1底部中心；外框架11与第一检测弹性梁6、第二检测弹性梁7、第三检测弹性梁8、第四检测弹性梁9、第一谐振音叉12和第二谐振音叉13组成检测谐振***，四个弹性支撑皆为水平放置，第一检测弹性梁6、第二检测弹性梁7、连接于内框架10顶部，第三检测弹性梁8和第四检测弹性梁9连接于内框架10底部，第一谐振音叉12和第二谐振音叉13沿y方向水平放置于外框架11与内框架10的中心；整体结构呈全对称分布；第一谐振音叉12和第二谐振音叉13通过谐振频率的改变感受从框架机构传递的科氏惯性力。
所述的结构设计针对平面加工工艺，即为针对线切割机械加工工艺或者MEMS结构的光刻、腐蚀工艺，整块原料加工一体成形，部件之间是一个整体，直接连接在一起，无可拆卸零件。
本发明的第一驱动弹性梁2和第二驱动弹性梁3对称且沿x方向，第三驱动弹性梁4和第四驱动弹性梁5对称且沿x方向；四个检测弹性梁沿y方向；第一谐振音叉12与第二谐振音叉对称13对称，位于内框架和外框架的中心，且沿x方向；两侧驱动与检测机构对称分布，工作原理相同。
第一谐振音叉12和第二谐振音叉13的检测谐振***其尺寸设计使得无载荷条件下的谐振频率为驱动谐振***谐振频率的10倍以上。为以保证谐振音叉谐振频率对驱动谐振***产生的交变轴向应力实现良好的跟踪，第一谐振音叉12与第二谐振音叉13形成一对差动谐振体，在同一时刻一个谐振音叉的谐振频率增高时，另一个谐振频率降低，将传感器的灵敏度提高一倍的同时大大提高了传感器对共模干扰的抗干扰能力。
总之，本发明采用频率调制手段，极大地减少了信号损失，实现微弱的科氏效应调频，提高了抗干扰能力；质量块采用“工”字型设计，内框架采用折叠型设计，既保证全对称，又能减少陀螺的整体尺寸；采用全对称结构，使得驱动和检测模态的谐振频率非常容易匹配，同时也能实现两个模态的阻尼匹配，以及降低由于工艺误差以及环境温度变化引起的漂移，提高陀螺的灵敏度；采用双框架式解耦结构设计，可以降低正交误差，提高陀螺的信噪比；两谐振音叉采用差动谐振结构，可以抑制大多数类型的共模干扰；采用平面方案设计，易于适应线切割加工或MEMS相关工艺，且易于小型化。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种全对称解耦的直接输出频率振动陀螺，其特征在于：所述陀螺结构为整体呈全对称分布；包括质量块(1)，第一驱动弹性梁(2)、第二驱动弹性梁(3)、第三驱动弹性梁(4)、第四驱动弹性梁(5)、第一检测弹性梁(6)、第二检测弹性梁(7)、第三检测弹性梁(8)、第四检测弹性梁(9)，内框架(10)，外框架(11)，第一谐振音叉(12)和第二谐振音叉(13)；质量块(1)与第一驱动弹性梁(2)、第二驱动弹性梁(3)、第三驱动弹性梁(4)、第四驱动弹性梁(5)、内框架(10)组成驱动谐振***，第一驱动弹性梁(2)、第二驱动弹性梁(3)、第三驱动弹性梁(4)和第四驱动弹性梁(5)作为四个弹性支撑皆为水平放置，第一驱动弹性梁(2)、第二驱动弹性梁(3)连接于质量块(1)顶部中心，第三驱动弹性梁(4)和第四驱动弹性梁(5)连接于质量块(1)底部中心；外框架(11)与第一检测弹性梁(6)、第二检测弹性梁(7)、第三检测弹性梁(8)、第四检测弹性梁(9)、第一谐振音叉(12)和第二谐振音叉(13)组成检测谐振***，第一检测弹性梁(6)、第二检测弹性梁(7)、第三检测弹性梁(8)、第四检测弹性梁(9)作为四个弹性支撑皆为水平放置，第一检测弹性梁(6)、第二检测弹性梁(7)连接于内框架(10)顶部，第三检测弹性梁(8)和第四检测弹性梁(9)连接于内框架(10)底部，第一谐振音叉(12)和第二谐振音叉(13)沿y方向水平放置于外框架(11)与内框架(10)的中心；第一谐振音叉(10)和第二谐振音叉(11)通过谐振频率的改变感受从框架机构传递的科氏惯性力。
2.根据权利要求1所述的全对称解耦的直接输出频率振动陀螺，其特征在于：所述陀螺的结构设计针对平面加工工艺，即为针对线切割机械加工工艺或者MEMS结构的光刻、腐蚀工艺，整块原料加工一体成型，部件之间是一个整体，直接连接在一起，无可拆卸零件。
3.根据权利要求1所述的全对称解耦的直接输出频率振动陀螺，其特征在于：所述整体呈全对称分布是指呈x和y方向全对称。
4.根据权利要求1所述的全对称解耦的直接输出频率振动陀螺，其特征在于：所述内框架(10)和外框架(11)是内外双框架解耦结构。
5.根据权利要求1所述的全对称解耦的直接输出频率振动陀螺，其特征在于：所述质量块(1)结构呈“工”型，内框架(10)的结构呈折叠型。
6.根据权利要求1所述的全对称解耦的直接输出频率振动陀螺，其特征在于：所述第一谐振音叉(12)和第二谐振音叉(13)形成一对差动谐振体，在同一时刻一个谐振音叉的谐振频率增高时，另一个谐振频率降低。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |