CN105371834A - 检测质量块及采用该检测质量块的陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种检测质量块及采用该检测质量块的陀螺仪，检测质量块包括锚点、第一质量块、第二质量块、第三质量块；所述锚点设置在所述第一质量块内，并固定在一外部基板上；所述第一质量块设置在第二质量块内，并通过在第一方向对称的第一弹性梁悬挂在所述锚点上；所述第二质量块设置在第三质量块内，并通过在第二方向对称的第二弹性梁悬挂在所述第一质量块上；所述第三质量块通过在第一方向对称的第三弹性梁悬挂在第二质量块上，并通过在第二方向对称的第四弹性梁与外部驱动质量块连接；所述第一方向与所述第二方向垂直；所述第一质量块具有第一方向的转轴，所述第二质量块具有第一方向和第二方向的转轴，所述第三质量块具有第二方向的转轴。

Description

检测质量块及采用该检测质量块的陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机械技术领域，尤其涉及一种检测质量块及采用该检测质量块的陀螺仪。

背景技术

MEMS（MicroElectroMechanicalSystem，微机电***）陀螺仪利用科里奥利力（Coriolisforce，又称为科氏力）现象。科氏力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科氏力来自于物体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。MEMS陀螺仪体积小、成本低、集成性好，已得以越来越广泛的应用，如在移动终端、相机防抖、游戏手柄、玩具飞机、导航等产品中。

MEMS陀螺仪包括驱动部分和检测部分，通过驱动和检测运动的耦合作用实现对运动角速度的测量；当陀螺处于驱动运动模态，并且在与驱动模态运动轴向垂直的第二方向有角速度输入时，由于科氏效应陀螺仪在检测轴向产生检测模态运动，通过测量检测模态运动的位移，即刻测定物体的转动角速度。所述测量检测模态运动的位移可以通过测量电容的变化来实现，例如，通过在谐振条件下确定由移动电极的运动所产生的电容的变化，来以电容方法来检测检测模态运动的位移，电容的检测可以通过叉指电极或者平板电极来实现。随着微机电陀螺技术的发展，高集成度、低成本的两轴或者三轴测量陀螺满足了现代消费电子产品的需求，成为微机电陀螺仪发展的趋势。两轴或者三轴陀螺仪一般是将多个陀螺仪集成在单个基板上来实现。而且陀螺仪中的一种检测质量块仅能检测一个方向的角速度，若需要检测多个方向的角速度，则需要至少三个检测质量块，这不能满足消费电子产品对陀螺仪小型化的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种检测质量块及采用该检测质量块的陀螺仪，其能够采用一个检测质量块实现两个方向角速度的检测，减小陀螺仪体积。

为了解决上述问题，本发明提供了一种检测质量块，包括锚点、第一质量块、第二质量块、第三质量块；所述锚点设置在所述第一质量块内，并固定在一外部基板上；所述第一质量块设置在第二质量块内，并通过在第一方向对称的第一弹性梁悬挂在所述锚点上；所述第二质量块设置在第三质量块内，并通过在第二方向对称的第二弹性梁悬挂在所述第一质量块上；所述第三质量块通过在第一方向对称的第三弹性梁悬挂在第二质量块上，并通过在第二方向对称的第四弹性梁与外部驱动质量块连接；所述第一方向与所述第二方向垂直；所述第一质量块具有第一方向的转轴，所述第二质量块具有第一方向和第二方向的转轴，所述第三质量块具有第二方向的转轴。

进一步，所述第一质量块与所述第一弹性梁对应的位置设置有第一凹陷，所述第一凹陷用于容纳所述第一弹性梁。

进一步，所述第二质量块与所述第二弹性梁对应的位置设置有第二凹陷，所述第二凹陷用于容纳所述第二弹性梁。

进一步，所述第二质量块与所述第三弹性梁对应的位置设置有第三凹陷，所述第三凹陷用于容纳所述第三弹性梁。

进一步，所述第三质量块与所述第四弹性梁对应的位置设置有第四凹陷，所述第四凹陷用于容纳所述第四弹性梁。

进一步，所述第三质量块在所述第四凹陷对应位置具有一凸起，所述第二质量块在与所述凸起对应的位置具有一容纳部，所述凸起伸入所述容纳部。

进一步，所述锚点、第一质量块、第二质量块、第三质量块、第一弹性梁、第二弹性梁、第三弹性梁及第四弹性梁一体成型。

本发明还提供一种陀螺仪，包括基板、检测质量块和驱动质量块，所述检测质量块包括锚点、第一质量块、第二质量块、第三质量块；所述锚点设置在所述第一质量块内，并固定在所述基板上；所述第一质量块设置在第二质量块内，并通过在第一方向对称的第一弹性梁悬挂在所述锚点上；所述第二质量块设置在第三质量块内，并通过在第二方向对称的第二弹性梁悬挂在第一质量块上；所述第三质量块通过在第一方向对称的第三弹性梁悬挂在第二质量块上，并通过在第二方向对称的第四弹性梁与所述驱动质量块连接；所述第一方向与所述第二方向垂直；所述第一质量块具有第一方向的转轴，所述第二质量块具有第一方向和第二方向的转轴，所述第三质量块具有第二方向的转轴；所述陀螺仪可检测第一方向和第二方向的角速度。

进一步，所述基板上沿所述第一方向对称设置有第一电极，所述第二质量块对应位置与所述第一电极形成第一电容组，用于检测所述陀螺仪具有第一方向角速度时的电容。

进一步，所述基板上沿所述第二方向对称设置有第二电极，所述第二质量块对应位置与所述第二电极形成第二电容组，用于检测所述陀螺仪具有第二方向角速度时的电容。

本发明的一个优点在于，采用一个检测质量块即可实现两个方向的角速度的检测，减少了陀螺仪中检测质量块的数量，减小陀螺仪的体积，实现陀螺仪小型化的需求。

本发明的另一优点在于，采用凹陷结构来容纳对应的弹性梁，使得弹性梁与检测质量块的各个质量块部分重叠，减小所述弹性梁占用的空间，从而进一步减小检测质量块的尺寸。

附图说明

图1为本发明检测质量块第一具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明检测质量块第二具体实施方式的结构示意图；

图3为本发明陀螺仪的一具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的检测质量块及采用该检测质量块的陀螺仪的具体实施方式做详细说明。

参见图1，在本发明第一具体实施方式中，检测质量块1包括锚点10、第一质量块11、第二质量块12、第三质量块13。

所述锚点10设置在所述第一质量块11内，并固定在一外部基板（附图中未标示）上。在本具体实施方式中，所述第一质量块11为内部中空的框体，所述锚点10设置在框体内部。所述锚点10固定在所述外部基板上，不能旋转和移动。

所述第一质量块11设置在第二质量块12内，并通过在第一方向对称的第一弹性梁14悬挂在所述锚点10上。所述第二质量块12为内部中空的框体，所述第一质量块11悬挂设置在框体内部。

所述第二质量块12设置在第三质量块13内，并通过在第二方向对称的第二弹性梁15悬挂在第一质量块11上。所述第三质量块13为内部中空的框体，所述第二质量块12悬挂设置在框体内部。

所述第三质量块13通过在第一方向对称的第三弹性梁16悬挂在第二质量块12上，并通过在第二方向对称的第四弹性梁17与外部驱动质量块（附图中未标示）连接。

所述锚点10不能旋转，所述第一质量块11受所述第一弹性梁14的制约，使得所述第一质量块11仅具有第一方向的转动轴，即所述第一质量块11可绕所述第一方向旋转。所述第三质量块13通过第二方向对称的第四弹性梁17与外部驱动质量块连接，所述第三质量块13受所述第四弹性梁17的制约，使得所述第三质量块13仅具有第二方向的转动轴，即所述第三质量块13可绕所述第二方向旋转。所述第二质量块12通过第二方向对称的第二弹性梁15悬挂在第一质量块11，所述第三质量块13通过在第一方向对称的第三弹性梁16悬挂在第二质量块12上，同时，所述第一质量块11具有第一方向的转动轴，所述第三质量块13具有第二方向的转动轴，所以，所述第二质量块12具有第一方向和第二方向的转动轴。

所述第一方向与所述第二方向垂直。在本具体实施方式中，所述第一方向为Y方向，所述第二方向为X方向。下面详细描述本发明检测质量块的运动原理。

当外部驱动质量块驱动所述检测质量块时，所述外部驱动质量块带动所述对称的第四弹性梁17向第一方向（Y方向）的正负向（+Y方向及-Y方向）分别运动，此时，所述第一质量块11、第二质量块12和第三质量块13均做顺时针旋转运动。

当所述检测质量块1受到一绕第二方向（X方向）的角速度时，所述第一质量块11、第二质量块12和第三质量块13受到绕第一方向（Y方向）的哥氏力矩，所述第一质量块11和第二质量块12绕所述第一方向（Y方向）旋转，而由于所述第三质量块13在第一方向（Y方向）没有转动轴，所以，所述第三质量块13不绕所述第一方向（Y方向）旋转。

当所述检测质量块1受到一绕第一方向（Y方向）的角速度时，所述第一质量块11、第二质量块12和第三质量块13受到绕第二方向（X方向）的哥氏力矩，所述第二质量块12和第三质量块13绕所述第二方向（X方向）旋转，而由于所述第一质量块11在第一方向（Y方向）没有转动轴，所以，所述第一质量块11不绕所述第二方向（X方向）旋转。

由于第二质量块12既具有第一方向的转动轴，又具有第二方向的转动轴，所以，本发明检测质量块1既能在第一方向旋转，也能在第二方向旋转。即仅利用一个检测质量块1就可以实现既能检测第一方向角速度，又能检测第二方向角速度的目的。从而大大缩小了陀螺仪的体积，实现陀螺仪的小型化。

为了进一步减小本发明检测质量块1的尺寸，缩小所述陀螺仪的体积，本发明还提供了第二具体实施方式。

参见图2，在本发明第二具体实施方式中，所述第一质量块11与所述第一弹性梁14对应的位置设置有第一凹陷20，所述第一凹陷20用于容纳所述第一弹性梁14。所述第二质量块12与所述第二弹性梁15对应的位置设置有第二凹陷21，所述第二凹陷21用于容纳所述第二弹性梁15。所述第二质量块12与所述第三弹性梁16对应的位置设置有第三凹陷22，所述第三凹陷22用于容纳所述第三弹性梁16。所述第三质量块13与所述第四弹性梁17对应的位置设置有第四凹陷23，所述第四凹陷23用于容纳所述第四弹性梁17。

所述第一弹性梁14、第二弹性梁15、第三弹性梁16和第四弹性梁17分别设置在第一凹陷20、第二凹陷21、第三凹陷22及第四凹陷23中，使得第一弹性梁14、第二弹性梁15、第三弹性梁16和第四弹性梁17分别与所述第一质量块11、第二质量块12和第三质量块13有部分重叠，减小了所述第一弹性梁14、第二弹性梁15、第三弹性梁16和第四弹性梁17占用的空间，从而能够进一步减小所述检测质量块1的尺寸，缩小所述陀螺仪的体积，实现陀螺仪的小型化。

进一步，由于第三质量块13在检测质量块1中相当于外框，所以，可能存在第三质量块13较窄的情况，使得第四凹陷23较浅，所述第四弹性梁17不能完全被所述第四凹陷23容纳。有部分的第四弹性梁17暴露于所述第四凹陷23之外，从而增大所述检测质量块1的尺寸。鉴于此，本发明检测质量块1所述第三质量块13在所述第四凹陷23对应位置具有一凸起24，所述第二质量块12在与所述凸起24对应的位置具有一容纳部25，所述凸起24伸入所述容纳部25。由于凸起24与容纳部25的配合，增大了所述第四凹陷23的深度，使得所述第四弹性梁17能够全部或大部分被第四凹陷23容纳，进一步减小所述检测质量块1的尺寸，缩小所述陀螺仪的体积，实现陀螺仪的小型化。

进一步，所述锚点10、第一质量块11、第二质量块12、第三质量块13、第一弹性梁14、第二弹性梁15、第三弹性梁16和第四弹性梁17一体成型，制作简单。

本发明检测质量块1即可以检测第一方向的角速度，也可以检测第二方向的角速度，故本发明检测量块1可以用于两轴陀螺仪，也可用于三轴陀螺仪。本发明提供一种陀螺仪，在本具体实施方式中，仅以两轴陀螺仪为例，说明检测质量块1在陀螺仪中的应用。三轴陀螺仪在两轴陀螺仪的基础上再增加一个Z轴检测，在此不赘述。

参见图3，所述陀螺仪包括基板2、检测质量块1及驱动质量块3。所述检测质量块1的结构与上文描述的检测质量块1的结构相同，在此不赘述。所述锚点10固定在所述基2上。所述第三质量块13通过在第二方向对称的第四弹性梁17与所述驱动质量块3连接。在所述基板2上沿所述第一方向对称设置有第一电极4（附图中采用虚线标示），所述第二质量块12对应位置与所述第一电极4形成第一电容组，用于检测所述陀螺仪具有第一方向角速度时的电容。所述基板2上沿所述第二方向对称设置有第二电极5（附图中采用虚线标示），所述第二质量块12对应位置与所述第二电极5形成第二电容组，用于检测所述陀螺仪具有第二方向角速度时的电容。在本具体实施方式中，所述第一方向为Y方向，所述第二方向为X方向。

所述驱动质量块3包括上驱动质量块30和下驱动质量块31。在驱动电极（附图中未标示）的作用下所述驱动质量块3发生振动，上驱动质量块30和下驱动质量块31分别向第一方向（Y方向）的正负方向（+Y方向和-Y方向）振动，例如，上驱动质量块30向+Y方向振动，下驱动质量块31向-Y方向振动，该振动通过第四弹性梁17传递给检测质量块1，所述第一质量块11、第二质量块12和第三质量块13均做顺时针旋转振动。

当陀螺仪受到一绕第二方向（X方向）的角速度，即所述检测质量块1受到一绕第二方向（X方向）的角速度时，所述第一质量块11、第二质量块12和第三质量块13受到绕第一方向（Y方向）的哥氏力矩，所述第一质量块11和第二质量块12绕所述第一方向（Y方向）旋转，而由于所述第三质量块13在第一方向（Y方向）没有转动轴，所以，所述第三质量块13不绕所述第一方向（Y方向）旋转。所述第二电极5与所述第二检测质量块12形成第二电容组，根据电容变化，从而可检测出陀螺仪在第二方向（X方向）的角速度。

当陀螺仪受到一绕第一方向（Y方向）的角速度，即所述检测质量块1受到一绕第一方向（Y方向）的角速度时，所述第一质量块11、第二质量块12和第三质量块13受到绕第二方向（X方向）的哥氏力矩，所述第二质量块12和第三质量块13绕所述第二方向（X方向）旋转，而由于所述第一质量块11在第一方向（Y方向）没有转动轴，所以，所述第一质量块11不绕所述第二方向（X方向）旋转。所述第一电极4与所述第二检测质量块12形成第一电容组，根据电容变化，从而可检测出陀螺仪在第一方向（Y方向）的角速度。

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，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 (10)

1.一种检测质量块，其特征在于，包括锚点、第一质量块、第二质量块、第三质量块；所述锚点设置在所述第一质量块内，并固定在一外部基板上；所述第一质量块设置在第二质量块内，并通过在第一方向对称的第一弹性梁悬挂在所述锚点上；所述第二质量块设置在第三质量块内，并通过在第二方向对称的第二弹性梁悬挂在所述第一质量块上；所述第三质量块通过在第一方向对称的第三弹性梁悬挂在第二质量块上，并通过在第二方向对称的第四弹性梁与外部驱动质量块连接；所述第一方向与所述第二方向垂直；所述第一质量块具有第一方向的转轴，所述第二质量块具有第一方向和第二方向的转轴，所述第三质量块具有第二方向的转轴。

2.根据权利要求1所述的检测质量块，其特征在于，所述第一质量块与所述第一弹性梁对应的位置设置有第一凹陷，所述第一凹陷用于容纳所述第一弹性梁。

3.根据权利要求1所述的检测质量块，其特征在于，所述第二质量块与所述第二弹性梁对应的位置设置有第二凹陷，所述第二凹陷用于容纳所述第二弹性梁。

4.根据权利要求1所述的检测质量块，其特征在于，所述第二质量块与所述第三弹性梁对应的位置设置有第三凹陷，所述第三凹陷用于容纳所述第三弹性梁。

5.根据权利要求1所述的检测质量块，其特征在于，所述第三质量块与所述第四弹性梁对应的位置设置有第四凹陷，所述第四凹陷用于容纳所述第四弹性梁。

6.根据权利要求5所述的检测质量块，其特征在于，所述第三质量块在所述第四凹陷对应位置具有一凸起，所述第二质量块在与所述凸起对应的位置具有一容纳部，所述凸起伸入所述容纳部。

7.根据权利要求1所述的检测质量块，其特征在于，所述锚点、第一质量块、第二质量块、第三质量块、第一弹性梁、第二弹性梁、第三弹性梁及第四弹性梁一体成型。

8.一种陀螺仪，其特征在于，包括基板、检测质量块和驱动质量块，所述检测质量块包括锚点、第一质量块、第二质量块、第三质量块；所述锚点设置在所述第一质量块内，并固定在所述基板上；所述第一质量块设置在第二质量块内，并通过在第一方向对称的第一弹性梁悬挂在所述锚点上；所述第二质量块设置在第三质量块内，并通过在第二方向对称的第二弹性梁悬挂在第一质量块上；所述第三质量块通过在第一方向对称的第三弹性梁悬挂在第二质量块上，并通过在第二方向对称的第四弹性梁与所述驱动质量块连接；所述第一方向与所述第二方向垂直；所述第一质量块具有第一方向的转轴，所述第二质量块具有第一方向和第二方向的转轴，所述第三质量块具有第二方向的转轴；所述陀螺仪可检测第一方向和第二方向的角速度。

9.根据权利要求8所述的陀螺仪，其特征在于，所述基板上沿所述第一方向对称设置有第一电极，所述第二质量块对应位置与所述第一电极形成第一电容组，用于检测所述陀螺仪具有第一方向角速度时的电容。

10.根据权利要求8所述的陀螺仪，其特征在于，所述基板上沿所述第二方向对称设置有第二电极，所述第二质量块对应位置与所述第二电极形成第二电容组，用于检测所述陀螺仪具有第二方向角速度时的电容。