CN106871887B - 振动模组以及陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
一种振动模组，设置在XY平面内，包括一谐振部件，所述谐振部件设置在一悬臂梁的末端，所述振动模组还包括一弹性限位部件，所述谐振部件通过所述弹性限位部件以及悬臂梁与外部的固定部件连接；在所述谐振部件处于沿Z方向的振动状态下，所述悬臂梁为谐振部件提供的第一限制力，所述弹性限位部件为所述谐振部件提供第二限制力，所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，所述谐振部件的振动方向一致。
Description
技术领域
本发明涉及微机械技术领域，尤其涉及一种振动模组以及陀螺仪。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电***)陀螺仪利用科里奥利力(Coriolis force，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。科里奥利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，由于哥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。
因此陀螺中通常都会包含至少一组振动模组，用来产生和检测振动模态的变化。由于需要对振动模组中谐振部件的位置变化进行检测，而谐振部件通常是围绕某一转轴旋转的，导致谐振部件的位置变化不容易被准确的检测到。因此，使谐振部件的位置变化更精确的被检测到，是现有技术中亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种振动模组，能够使使谐振部件的位置变化更精确的被检测到。
为了解决上述问题，本发明提供了一种振动模组，设置在XY平面内，包括一谐振部件，所述谐振部件设置在一悬臂梁的末端，所述振动模组还包括一弹性限位部件，所述谐振部件通过所述弹性限位部件以及悬臂梁与外部的固定部件连接；在所述谐振部件处于振动状态下，所述悬臂梁为谐振部件提供的第一限制力，所述弹性限位部件为所述谐振部件提供第二限制力，所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与所述谐振部件的振动方向一致。
可选的，所述谐振部件包括一电极，并通过所述电极被外部的驱动电场驱动，所述驱动电场向所述谐振部件施加第三限制力，所述第一限制力、第二限制力、以及第三限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与XY平面垂直。
可选的，所述弹性限位部件包括至少一个弹簧，所述弹簧的一端连接所述谐振部件，另一端连接所述固定部件。
可选的，所述弹性限位部件包括设置在同一平面内的两个弹簧，每一个弹簧的轴向与所述谐振部件的振动方向垂直，且所述两个弹簧的轴向设置在同一条直线上。
可选的，所述设置在同一平面内的两个弹簧具有不同的弹性系数。
可选的，所述谐振部件的振动状态包括沿Z方向的面外振动，和在XY平面内的面内振动。
本发明还提供了一种陀螺仪，包括一振动模组、一固定部件以及一悬臂梁，所述振动模组设置在XY平面内，包括一谐振部件，所述悬臂梁的一端连接所述谐振部件，另一端连接至固定部件，所述振动模组还包括一弹性限位部件，所述谐振部件通过所述弹性限位部件以及悬臂梁与固定部件连接；在所述谐振部件处于振动状态下，所述悬臂梁为谐振部件提供的第一限制力，所述弹性限位部件为所述谐振部件提供第二限制力，所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与所述谐振部件的振动方向一致。
可选的，所述谐振部件包括一第一电极，所述固定部件包括一第二电极，所述两电极形成驱动电容以向所述谐振部件施加第三限制力，所述第一限制力、第二限制力、以及第三限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与XY平面垂直。
可选的，所述弹性限位部件包括至少一个弹簧，所述弹簧的一端连接所述谐振部件，另一端连接所述固定部件。
可选的，所述弹性限位部件包括设置在同一平面内的两个弹簧，每一个弹簧的轴向与所述谐振部件的振动方向垂直，且所述两个弹簧的轴向设置在同一条直线上。
可选的，所述设置在同一平面内的两个弹簧具有不同的弹性系数。
可选的，所述谐振部件的振动状态包括沿Z方向的面外振动，和在XY平面内的面内振动。
上述弹性限位部件的作用是为谐振部件提供一个限位力，来抵消单纯的悬臂梁带动谐振部件运动的状态下谐振部件会处于转动状态的问题，使谐振部件处于平动状态，更容易被精确的检测到。
附图说明
附图1所示是本发明具体实施方式所述振动模组的结构示意图
附图2是本发明所述振动模组的另一具体实施方式的结构示意图
附图3是本发明所述振动模组的又一具体实施方式的结构示意图
附图4是本发明所述陀螺仪具体实施方式的结构示意图
附图5、附图6以及附图7所示是附图4所示谐振部件在振动状态下的放大示意图。
附图8是本发明所述陀螺仪具体实施方式中谐振部件与十字梁的连接方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的振动模组以及陀螺仪的具体实施方式做详细说明。
附图1所示是本发明所述振动模组具体实施方式的结构示意图，所述的振动模组包括一谐振部件11，所述谐振部件11设置在一悬臂梁13的末端，所述振动模组还包括一弹性限位部件，本具体实施方式为弹簧12a。所述谐振部件通过所述弹性限位部件以及悬臂梁13与外部的固定部件10连接。在其它的具体实施方式中，所述弹性限位部件也可以是由弹性材料制作的可以拉伸的弹性梁等。所述振动模组的谐振部件11、悬臂梁13、以及弹簧12a设置在同一XY平面内。
在所述谐振部件11处于沿着Z方向的振动状态下(垂直于图面方向)，所述悬臂梁13为谐振部件提供的第一限制力，所述弹簧12a为所述谐振部件提供第二限制力。如果在不施加弹簧的情况下，谐振部件11是在悬臂梁13的带动下，沿着悬臂梁13的固定端转动的，因此所述第一限制力又可以分解成悬臂梁13对于谐振部件11的拉力，以及悬臂梁13对于谐振部件11的扭转力。单纯的第一限制力会使谐振部件11转动，而弹簧12a拉动谐振部件11产生的第二限制力能够抵消旋转效果。谐振部件11的振动是沿着垂直于图面方向的往复振动，所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件11的质心重合，且作用方向与XY平面垂直，这样可以保证谐振部件11的振动是水平上下的。
对于谐振部件11的振动是在XY平面内水平振动的情况，所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件11的质心重合，且作用方向与XY平面平行，这样可以保证谐振部件11的振动不会在面内发生旋转，造成与驱动电极间的距离改变，对驱动产生不良效果。
上述效果可以通过调整悬臂梁的尺寸和弹性系数，以及弹簧12a构成的限位部件的弹性系数来获得。对于不同形状的谐振部件11，应当根据理论计算或者计算机模拟计算的方式计算出合适的悬臂梁的尺寸和弹性系数，以及弹簧12a构成的限位部件的弹性系数等物理参数。
为了检测谐振部件的运动，通常会在谐振部件上设置一第一电极14a，并在外部的固定部件10上设置第二电极14b。在另一个具体实施方式中，所述第一电极14a也可以是作为驱动电极。在这种情况下，应当使所述第一限制力、第二限制力、以及第三限制力的合力的作用位置与所述谐振部件11的质心重合，且作用方向与XY平面垂直。并且第一电极14a和第二电极14b也并不限定为图1所示的梳齿电极，也可以是在谐振部件11表面以及固定部件10表面相对设置的一对平板电极(未图示)，平板电极的延展方向是在XY平面内的。梳齿电极适用于驱动电极，而平板电极适用于检测电极。谐振部件11通过所述第一电极14a被外部的第二电极14b所提供的驱动电场驱动，所述驱动电场向所述谐振部件11施加第三限制力。限制力实际上是一种弹性力，在振动模态下，弹性力与惯性力平衡。在谐振部件11处在振动模态下，平行电板会产生负刚度即负的弹性力，从而产生附加的限制力。而梳齿电极的静电力在运动幅度范围内基本保持恒定，所以不产生显著的限制力，即不对平动条件的达成产生显著的作用。
从上述叙述可以看出，所述弹性限位部件的作用是为谐振部件11提供一个限位力，来抵消单纯的悬臂梁13带动谐振部件11运动的状态下谐振部件11会处于转动状态，使谐振部件11的振动是平动的。平动的谐振部件11的位置变化更容易被准确的检测。因此在以弹簧作为弹性限位部件的实施方式中，应当包括至少一个弹簧12a，所述弹簧的一端连接所述谐振部件11，另一端连接所述固定部件10。
附图2是本发明所述振动模组的另一具体实施方式结构示意图，包括设置在同一平面内的两个弹簧22a与22b，每一个弹簧的轴向与所述谐振部件11的振动方向垂直，且所述两个弹簧的轴向设置在同一条直线上。该设置方式可以能够做到第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件11的质心重合，且作用方向与所述谐振部件11的振动方向一致，这样可以保证谐振部件11的振动是水平上下或者在XY面内水平移动的。
附图3是本发明所述振动模组的又一具体实施方式结构示意图，本具体实施方式包括4个弹簧32a、32b、32c以及32d，是一种优选的实施方式。每一个弹簧的轴向与所述谐振部件11的振动方向垂直，且所述弹簧32a、32b的轴向设置在同一条直线上，弹簧32c、32d的轴向设置在同一条直线上。该设置方式也可以能够做到第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件11的质心重合，且作用方向与所述谐振部件11的振动方向一致，这样可以保证谐振部件11的振动是水平上下或者在XY面内水平移动的。并且第二限位力是由四根弹簧在谐振部件11四个角施加上的，因此更为稳定，是一种优选的实施方式。
接下来给出本发明的陀螺仪的具体实施方式。参考附图4所示是本发明所述陀螺仪具体实施方式的结构示意图，所述陀螺包括设置在同一平面内的谐振部件411、412、413以及414，固定部件40，以及由弹簧构成的弹性限位部件。本具体实施方式中，可动部件为4个，设置在一十字梁43上，分别沿着X和Y两个垂直方向上设置。固定部件40为陀螺的外框。
下面以谐振部件411为例对上述结构的在Z轴方向进行面外振动的状态以及弹性限位部件的限位效果作出解释。附图5所示是谐振部件411在振动状态下的放大示意图，所述弹簧52a、52b、52c以及52d连接所述谐振部件411与固定部件40。所述弹簧52a、52b、52c以及52d为所述谐振部件411提供第二限制力。如果在不施加弹簧的情况下，谐振部件411是在十字梁43的带动下，沿着十字梁43的固定端转动的。单纯的第一限制力会使谐振部件411转动，而弹簧52a、52b、52c以及52d拉动谐振部件411产生的第二限制力能够抵消旋转效果。谐振部件411的振动是沿着Z方向的往复振动，所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件411的质心重合，且作用方向与XY平面垂直，这样可以保证谐振部件411的振动是水平上下的。这一效果可以通过调整悬臂梁的尺寸和弹性系数，以及弹簧52a、52b、52c以及52d构成的限位部件的弹性系数来获得。对于不同形状的谐振部件411，应当根据理论计算或者计算机模拟计算的方式计算出合适的悬臂梁的尺寸和弹性系数，以及弹簧52a、52b、52c以及52d构成的限位部件的弹性系数等物理参数。
为了更清楚的表示谐振部件的振动状态，附图6所示是另一谐振部件412在振动状态下的放大示意图，所述弹簧62a、62b、62c以及62d连接所述可动部件411与固定部件40。关于上述结构的工作原理请参考前面对谐振部件411的描述。
下面以谐振部件413为例对上述结构的在XY平面内沿方向进行面内振动的状态以及弹性限位部件的限位效果作出解释。附图7所示是谐振部件413在面内振动状态下的放大示意图，所述弹簧72a、72b、72c以及72d连接所述谐振部件413与固定部件40。所述弹簧72a、72b、72c以及72d为所述谐振部件413提供第二限制力。如果在不施加弹簧的情况下，谐振部件411是在十字梁43的带动下，在XY平面内平动。单纯的第一限制力不够稳定，稍有偏差即会使谐振部件413转动，而弹簧72a、72b、72c以及72d拉动谐振部件413产生的第二限制力使振动部件413更稳定。如果谐振部件411具有旋转的趋势，四个弹簧会随之产生反向的拉力，对旋转起到限制作用。谐振部件413的振动是在XY平面内的，所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件413的质心重合，且作用方向与XY平面平行，这样可以保证谐振部件411的振动是在XY平面内的。这一效果可以通过调整悬臂梁的尺寸和弹性系数，以及弹簧72a、72b、72c以及72d构成的限位部件的弹性系数来获得。对于不同形状的谐振部件413，应当根据理论计算或者计算机模拟计算的方式计算出合适的悬臂梁的尺寸和弹性系数，以及弹簧72a、72b、72c以及72d构成的限位部件的弹性系数等物理参数。
以上结构以优选实施方式的形式给出了4个弹簧的结构以及分布方式，对于其他的具体实施方式，也可以包括更少或者更多的弹簧。其他具体实施方式中弹簧的设置方式可以参考附图1和附图2以及对应的具体实施方式。
并参考附图8是本具体实施方式中谐振部件与十字梁的连接方式示意图。附图8以振部件411为例，其与十字梁43之间的连接是通过两个连接梁81C实现的。两个连接梁81C连接谐振部件411和十字梁43。连接梁81C设置方向也是沿着Y方向，与谐振部件411的轴向X方向垂直，且所述两个连接梁821C沿着十字梁43的中心轴A-A相互对称。对称设置的连接梁能够对谐振部件411沿着Y方向的振动起到强的限制作用，而对谐振部件411沿着其他平动或转动的方向的振动起到弱的限制作用。
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)
1.一种振动模组，设置在XY平面内，包括一谐振部件，所述谐振部件设置在一悬臂梁的末端，其特征在于：所述振动模组还包括一弹性限位部件，所述谐振部件通过所述弹性限位部件以及悬臂梁与外部的固定部件连接；在所述谐振部件处于振动状态下，所述悬臂梁为谐振部件提供的第一限制力，所述弹性限位部件为所述谐振部件提供第二限制力，所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与所述谐振部件的振动方向一致，通过调整所述悬臂梁的尺寸和弹性系数，以及所述弹性限位部件的弹性系数来使得所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与所述谐振部件的振动方向一致。
2.根据权利要求1所述的振动模组，其特征在于，所述谐振部件包括一电极并通过所述电极被外部的驱动电场驱动，所述驱动电场向所述谐振部件施加第三限制力，所述第一限制力、第二限制力、以及第三限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与XY平面垂直。
3.根据权利要求1所述的振动模组，其特征在于，所述弹性限位部件包括至少一个弹簧，所述弹簧的一端连接所述谐振部件，另一端连接所述固定部件。
4.根据权利要求3所述的振动模组，其特征在于，所述弹性限位部件包括设置在同一平面内的两个弹簧，每一个弹簧的轴向与所述谐振部件的振动方向垂直，且所述两个弹簧的轴向设置在同一条直线上。
5.根据权利要求1所述的振动模组，其特征在于，所述谐振部件的振动状态包括沿Z方向的面外振动，和在XY平面内的面内振动。
6.一种陀螺仪，包括一振动模组、一固定部件以及一悬臂梁，所述振动模组设置在XY平面内，包括一谐振部件，所述悬臂梁的一端连接所述谐振部件，另一端连接至固定部件，其特征在于：所述振动模组还包括一弹性限位部件，所述谐振部件通过所述弹性限位部件以及悬臂梁与固定部件连接；在所述谐振部件处于振动状态下，所述悬臂梁为谐振部件提供的第一限制力，所述弹性限位部件为所述谐振部件提供第二限制力，所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与所述谐振部件的振动方向一致，通过调整所述悬臂梁的尺寸和弹性系数，以及所述弹性限位部件的弹性系数来使得所述第一限制力和第二限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与所述谐振部件的振动方向一致。
7.根据权利要求6所述的陀螺仪，其特征在于，所述谐振部件包括一第一电极，所述固定部件包括一第二电极，所述两电极形成驱动电容以向所述谐振部件施加第三限制力，所述第一限制力、第二限制力、以及第三限制力的合力的作用位置与所述谐振部件的质心重合，且作用方向与XY平面垂直。
8.根据权利要求6所述的陀螺仪，其特征在于，所述弹性限位部件包括至少一个弹簧，所述弹簧的一端连接所述谐振部件，另一端连接所述固定部件。
9.根据权利要求8所述的陀螺仪，其特征在于，所述弹性限位部件包括设置在同一平面内的两个弹簧，每一个弹簧的轴向与所述谐振部件的振动方向垂直，且所述两个弹簧的轴向设置在同一条直线上。
10.根据权利要求6所述的陀螺仪，其特征在于，所述谐振部件的振动状态包括沿Z方向的面外振动，和在XY平面内的面内振动。
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| CN106871887A (zh) | 2017-06-20 |
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