專利名稱：用于探測運動的微陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于探測相對于X軸線和/或Y軸線和Z軸線的運動的微陀螺儀，所 述微陀螺儀特別是作為3D (三維)、ro (五維)或6D (六維)傳感器，該微陀螺儀具有基底； 多個振動樣本模塊；用于將振動樣本模塊附接至基底的錨固件以及安置在該錨固件與驅(qū)動 模塊之間的錨固彈簧；用于使樣本模塊在X-Y平面內(nèi)振動的驅(qū)動元件，以此在基底轉(zhuǎn)動過 程中產(chǎn)生Coriolis力(科里奧利力)，并以此使用傳感器元件來獲知模塊因Coriolis力而 發(fā)生的偏移，所述Coriolis力由X軸或Y軸的轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生，所述傳感器元件特別是安置 在樣本模塊(I)下方的電極。
背景技術(shù)：
微機電(MEMS)陀螺儀大體上用于探測圍繞在X-Y-Z坐標(biāo)系中的軸線的轉(zhuǎn)動。為 了能夠測定系統(tǒng)圍繞三個軸線中的每個軸線的轉(zhuǎn)動，因此，需要三個這種微陀螺儀。數(shù)據(jù)的 控制和分析成本高企并且需要大量工作。
為了能夠制造可以沿三個軸線轉(zhuǎn)動的三維陀螺儀，D. Wood在1996年的文 章 “A monolithic silicone gyroscope capable of sensing about threeaxes simultaneously”中提出一種陀螺儀，其具有以圍繞中心錨固件的環(huán)狀方式安置的振動模 塊，并且所述陀螺儀獲知因Coriolis力引起的翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動。其缺點在于，這種傳感器的制 造以及運動模塊的驅(qū)動都是困難或不可能實施的。因此，根據(jù)D. Wood等人的實施例仍是理 論性質(zhì)的。
在Nan-Chyuan Tsai 的文章 “Design and dynamics of an innovativemicro-gyroscope against coupling effects，，中還提出一種三維陀螺儀。其 缺點在于，設(shè)置了內(nèi)板和外環(huán)，以及四個運動模塊。所需要的彈簧結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)動的兩個正交方 向上呈低剛性，因而對誤差敏感并且難以實施。
所提出的兩個解決方案均不適于同時獲知沿兩個或三個正交軸線的加速度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種3D微陀螺儀，其能夠以合理的成本制造并具有高捕 獲精度，避免上文指出的不良特征，并且能夠以可選擇的方式設(shè)計，從而可以同時捕獲另外 兩個或三個加速度分量。
這一目的由具有權(quán)利要求1的特征的微陀螺儀實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的微陀螺儀特別用于測定圍繞X軸和/或Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)動，特別是 作為3D傳感器、也可以作為或6D傳感器來附加地捕獲在X軸和/或Y軸和Z軸方向上 的加速度。該微陀螺儀包含基底和多個振動樣本模塊，其中振動樣本模塊由錨固件和錨固 彈簧附接至基底，該錨固彈簧安置在錨固件和樣本模塊之間。至少各對、優(yōu)選所有的樣本模 塊通過驅(qū)動元件的使用受激以彼此相反地振動，即在X-Y平面內(nèi)徑向彼此相反地振動，從 而在基底旋轉(zhuǎn)時經(jīng)受Coriolis力。傳感器元件(特別是安置在樣本模塊下方的電極)探測樣本模塊因Coriolis力而發(fā)生的偏移，所述Coriolis力產(chǎn)生自X軸和/或Y軸的轉(zhuǎn)動速 度以及可選地產(chǎn)生自Z軸的加速度。
根據(jù)本發(fā)明，樣本模塊圍繞中心錨固件均勻地安置，并且能夠相對于該中心錨固 件被徑向地驅(qū)動。錨固彈簧設(shè)計成樣本模塊既能在X-Y平面內(nèi)相對于中心錨固件徑向偏 移，又能偏移出該X-Y平面。傳感器模塊通過傳感器彈簧安裝在一個每個樣本模塊上、特別 是每個樣本模塊上。傳感器彈簧允許傳感器模塊在樣本模塊的平面或X-Y平面內(nèi)、并與所 述樣本模塊的徑向驅(qū)動方向正交地偏移。
兩個樣本模塊在相反側(cè)上形成一樣本模塊對。由于安裝在中心錨固件上的扭簧， 樣本模塊對可以圍繞翻轉(zhuǎn)軸線翻轉(zhuǎn)，所述翻轉(zhuǎn)軸線沿X軸或Y軸延伸并與所述對的軸線垂 直。由于樣本模塊與中心懸架之間、樣本模塊與外錨固件之間錨固彈簧的適當(dāng)大小的彈性， 每個樣本模塊還可以在垂直方向上偏移。
根據(jù)本發(fā)明的微陀螺儀具有這樣的優(yōu)點，其在構(gòu)造上非常簡單，因此能夠以高水 平的精度生產(chǎn)和運行。樣本模塊被驅(qū)動以在徑向方向上振動。因CorioliS力產(chǎn)生的樣本 模塊的偏移特別易于分析。樣本模塊對的因X軸轉(zhuǎn)動速度或Y軸轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生的組合的翻 轉(zhuǎn)偏移運動分別只發(fā)生在Y軸方向或X軸方向上。相應(yīng)地，安置在X軸線上的樣本模塊以 Y軸轉(zhuǎn)動速度交替移出X-Y平面，并且類似地，安置在Y軸線上的樣本模塊在X軸轉(zhuǎn)動速度 產(chǎn)生時也交替移出X-Y平面。如果在Z軸方向上產(chǎn)生加速度，樣本模塊同步出離所述平面。 通過對偏移的差分測量和求和測量，可以彼此區(qū)分相反的和同步的偏移。安置在基底和樣 本模塊之間的傳感器元件探測在樣本模塊相對于基底的距離上的變化，以此允許獲知X軸 或Y軸的轉(zhuǎn)動速度以及Z軸的加速度。
如果產(chǎn)生Z軸轉(zhuǎn)動速度，Coriolis力在每個樣本模塊中出現(xiàn)，并且導(dǎo)致在樣本模 塊中的傳感器元件垂直于徑向驅(qū)動運動地偏移。所述偏移在樣本模塊對中是相反的。如果 垂直于樣本模塊對的軸線產(chǎn)生加速度，兩個嵌裝的傳感器兀件沿同一方向偏移。對所述偏 移的差分和求和測量可以用來確定垂直于樣本模塊對軸線的Z軸轉(zhuǎn)動速度分量和加速度 分量。因此，有利的是，通過在樣本模塊對中所有傳感器元件在順時針或逆時針方向上的偏 移的求和來確定轉(zhuǎn)動速度，并通過在樣本模塊對中在順時針或逆時針方向上的偏移的差分 來確定加速度。
在所述微陀螺儀的特別有利的一實施例中，四個樣本模塊圍繞中心錨固件的周邊 均勻設(shè)置。微陀螺儀的對稱構(gòu)造和相應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度的簡單分析由此成為可能。對稱進一步 提供力的平衡，從而使得因相反振動的樣本模塊的驅(qū)動運動而不會有力作用在所述微陀螺 儀上。
如果將彈性萬向安裝件安置在中心錨固件與樣本模塊的彈簧之間，那么就能非常 簡單和可靠地促成樣本模塊自X-Y方向的偏移。如果對應(yīng)的樣本模塊只相對于X軸偏移， 則由于所述萬向安裝件，基本沒有在樣本模塊上的能夠圍相對于Y軸偏移的作用能夠被確 定。取決于期望的偏移運動，樣本模塊的精確區(qū)分因此得以實現(xiàn)。萬向安裝件是用來產(chǎn)生 和實質(zhì)上改善微陀螺儀精度的簡單構(gòu)件。
在萬向安裝件的特別有利的實施例中，所述萬向安裝件包括兩個環(huán)，所述兩個環(huán) 通過偏置的扭簧彼此連接。這里的扭簧彼此偏置90°，從而使得它們分別匹配兩個振動樣 本模塊的驅(qū)動方向。偏移運動的精確區(qū)分因此實現(xiàn)。這里可以采用簡單的扭簧。為了獲得特別穩(wěn)定的實施例以及只在給定方向上允許運動，有利的是每個扭簧被分為兩個，其中分 別采用兩個優(yōu)選平行或分叉或會聚的彈簧條。
如果樣本模塊和/或傳感器模塊以框架的形式設(shè)置，那么特別緊湊的結(jié)構(gòu)變?yōu)榭?能。如果樣本模塊以框架的形式設(shè)置，將驅(qū)動元件安置在所述樣本模塊內(nèi)、即由所述樣本模 塊包圍是可能的。在傳感器模塊的情況下，框架型結(jié)構(gòu)能夠允許傳感器元件緊湊地位于所 述傳感器模塊內(nèi)。傳感器元件位于基底和傳感器模塊上，所述傳感器元件可以由電極制成。 傳感器模塊因Z軸轉(zhuǎn)動速度在X-Y平面內(nèi)或樣本模塊平面內(nèi)的運動導(dǎo)致了在固定至基底的 電極與位于傳感器模塊上的電極之間的距離上的變化，以此生成了允許獲知Z軸轉(zhuǎn)動速度 的電信號。對于樣本模塊的框架構(gòu)造而言，以與傳感器模塊相同的方式，固定電極安裝在基 底上，而電極安置在樣本模塊上。通過向?qū)α㈦姌O施加AC電壓使樣本模塊振動。所述框架 結(jié)構(gòu)以此允許電極的非常緊湊的布置，特別是在沒有顯著超過樣本模塊地增大微陀螺儀的 外尺寸的情況下。
為了實現(xiàn)微陀螺儀特別緊湊的構(gòu)造，有利的是，將傳感器模塊安置在樣本模塊的 框架內(nèi)。因為在所述實施例中的傳感器模塊同樣是在樣本模塊的外尺寸以內(nèi)，所以微陀螺 儀可以制造得非常小。
為了允許樣本模塊的一致振動，特別有利的是樣本模塊通過同步彈簧彼此相連。 同步彈簧以此規(guī)制任何在徑向驅(qū)動樣本模塊振動時可能發(fā)生的略微不同步。相鄰的樣本模 塊因同步彈簧而持續(xù)一致地振動。
為了捕獲Z軸轉(zhuǎn)動速度，傳感器模塊具有傳感器元件。所述傳感器元件以此對Z 軸轉(zhuǎn)動速度作出反應(yīng)，這反過來生成Coriolis力,所述Coriolis力致使傳感器元件以正交 于樣本模塊驅(qū)動方向的方式被偏移。這種運動基本上是近乎相切于中心錨固件的。
樣本模塊優(yōu)選與用于捕獲沿垂直的Z軸方向的各個偏移的傳感器元件相關(guān)聯(lián)。樣 本模塊因此既能夠用于確定轉(zhuǎn)動速度又能夠用于探測沿Z軸方向的加速度，因為它們能夠 被各自地分析。
在優(yōu)選的實施例中，用于探測樣本模塊Z軸偏移的傳感器元件的形成是通過樣本 模塊的電容與在樣本模塊下方安裝在基底上的電極來實現(xiàn)的。兩個電極之間距離的變化導(dǎo) 致在電容成比例的變化。
如果將兩個用于探測兩個對置樣本模塊的Z軸偏移的傳感器元件相結(jié)合以形成 用于探測基底在X-Y平面內(nèi)圍繞垂直于所述樣本模塊對的軸線的轉(zhuǎn)動的差分傳感器，那么 各個測量結(jié)果可以用來確定所述轉(zhuǎn)動的速度。
在本發(fā)明特別有利的實施例中，振動樣本模塊的驅(qū)動元件是電極，特別是叉式電 極。為了實現(xiàn)可靠的驅(qū)動，安置若多個叉。在本發(fā)明的特別實施例中，已發(fā)現(xiàn)每個樣本模塊 使用幾百個特別是大約兩百個叉式電極是特別有利的。
為了避免所謂的四偏壓(quad-bias)效應(yīng)，有利的是將用于探測樣本模塊或傳感 器模塊垂直于半徑/徑向的偏移的傳感器元件安置在探測盒內(nèi)，所述探測盒具有用于固定 在基底上的對立電極的屏蔽電極，因而消除因徑向運動而產(chǎn)生的不同雜散電容的效應(yīng)。探 測盒因而提供屏蔽，從而使得因傳感器元件與其它部件之間的意外接觸而產(chǎn)生的錯誤信號 得以避免。
如果樣本模塊能夠在垂直方向上被偏移，并且如果至少兩個樣本模塊能夠沿垂直的Z軸線在同一 Z軸方向上被偏移,那么傳感器在Z軸方向上的加速度能夠以簡單的方式確定。
本發(fā)明特別有利的實施例(但并非唯一的潛在實施例)具有安置在正方形的四個 四分之一區(qū)中的四個相同框架。為了更好地利用微陀螺儀的可用區(qū)域，有利的是，所述框架 的對稱軸相對基底坐標(biāo)系統(tǒng)的X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)45°，所述對稱軸是平面內(nèi)的速度感應(yīng)軸。如 果希望沿基底坐標(biāo)系統(tǒng)X和Y軸的速度信號的鮮明區(qū)分，那么可以將整個傳感器旋轉(zhuǎn)45°， 從而使得樣本模塊的框架與基底坐標(biāo)系統(tǒng)X和Y軸對齊，并相應(yīng)地振動。
所述框架在中心萬向安裝件上被支撐。所述框架包含四個彈簧，各框架通過所述 四個彈簧連接至基底。四個彈簧中的兩個靠近中心錨固件設(shè)置，并連接至萬向安裝件。四 個彈簧中的另外兩個彈簧安置在樣本模塊的外端，并在那里連接至另一外部錨固件。內(nèi)彈 簧和外彈簧允許樣本模塊的徑向偏移并且還允許出離X-Y平面的運動，從而能夠跟蹤所出 現(xiàn)的Coriolis力。
來自于所發(fā)生的X軸轉(zhuǎn)動速度和Y軸轉(zhuǎn)動速度的信號的確定是通過在傳感器元件 的電容變化來實現(xiàn)的，所述變化是由安置在中心錨固件對置位置的樣本模塊框架的相反偏 移來引起的。用于偏移出X-Y平面的區(qū)段或樣本模塊的傳感器電極安置在所述框架的下 方。兩個對置的對應(yīng)框架的傳感器元件彼此連接，從而能夠捕獲對置的樣本模塊的對應(yīng)框 架。
關(guān)于Z軸的轉(zhuǎn)動速度信號通過嵌入在樣本模塊中的四個框架產(chǎn)生，所述四個框架 與樣本模塊的框架一起在徑向上運動。如果Z軸轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生Coriolis力，那么傳感器模 塊附加地與微陀螺儀的徑向成直角地運動。在具有位于盒端部的屏蔽電極(作為端屏蔽)的 傳感器與探測盒被使用，從而消除在驅(qū)動運動過程中可以因變化的邊界場而出現(xiàn)的四偏壓 效應(yīng)。
用于探測Z軸轉(zhuǎn)動速度的傳感器模塊偏移是沿順時針或逆時針方向的共同偏移。 所述偏移各自地被測量。為了消除微陀螺儀的加速效應(yīng)，相應(yīng)地分析對置的傳感器元件。為 了對Z軸轉(zhuǎn)動速度的精確探測，有利的是每個傳感器模塊采用多個盒。已發(fā)現(xiàn)，每個傳感器 元件有數(shù)量大約為十二個的盒是特別有利的。
所述微陀螺儀優(yōu)選地用作3D陀螺儀，所述3D陀螺儀用來探測圍繞X軸、Y軸和/ 或Z軸的轉(zhuǎn)動速度。該微陀螺儀還可以(特別是作為附加方式)被用于探測在X軸和/或Y 軸和/或Z軸方向上的加速度。為探測Z軸轉(zhuǎn)動速度，傳感器模塊可以在同一周向方向上 基本同步地偏移。所有的傳感器模塊圍繞中心錨固件在同一順時針或逆時針方向上相應(yīng)地 進行運動。為了確定微陀螺儀在X-Y平面內(nèi)的加速度，至少兩個傳感器模塊可以相對于周 向方向彼此相反地被偏移。這意味著，兩個對置的傳感器模塊在相同的運動方向上一起運 動，并且相對于陀螺儀的周向方向彼此相反地一起運動。第一傳感器模塊因而沿順時針方 向運動，而對置的傳感器模塊沿逆時針方向運動。因此，相對于基底的運動方向，對于沿X 軸正方向的運動，對應(yīng)的傳感器模塊沿X軸負(fù)方向偏移。傳感器元件相應(yīng)地各自指示傳感 器模塊的所述運動。


本發(fā)明的其它優(yōu)點描述在如下實施例中。其中
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的3D、4_框架式陀螺儀，以及
圖2示出探測盒。
具體實施方式
圖1示出3D陀螺儀，所述3D陀螺儀包括四個形成樣本模塊I的框架。樣本模塊 I安置在處于基底2上方的平面內(nèi)。所述樣本模塊通過中心錨固件3和每個樣本模塊I的 一個外錨固件4連接至基底2。與外錨固件4的連接是通過兩個外錨固彈簧5實現(xiàn)的。兩 個內(nèi)錨固彈簧6以及萬向安裝件7安置在樣本模塊I與中心錨固件3之間。外錨固彈簧5 和內(nèi)錨固彈簧6設(shè)計成允許在圖面內(nèi)(即在X-Y平面內(nèi))外錨固件4與內(nèi)部中心錨固件3之 間的振動運動，另外，錨固彈簧5和6設(shè)計成促使正交于圖面的偏移，從而能夠指示由于出 現(xiàn)的Coriolis力造成的X或Y的轉(zhuǎn)動速度。為了實現(xiàn)樣本模塊I防止繞運動軸線翻轉(zhuǎn)的 一定程度的穩(wěn)定性，各內(nèi)錨固彈簧6在樣本模塊I上彼此相對大間距地安置。外錨固彈簧 5在外錨固件4的區(qū)域中彼此相對靠近地連接至樣本模塊I。因此實現(xiàn)樣本模塊I到彈簧 5、6和錨固件3、4的穩(wěn)定和易于形成的連接。
為了防止因X軸和Y軸轉(zhuǎn)動速度而產(chǎn)生的偏移的相互影響，以及為了以簡單且沒 有大的反作用力的方式允許偏移，在內(nèi)錨固彈簧6與中間錨固件3之間設(shè)置萬向安裝件7， 所述萬向安裝件支撐著成對樣本模塊因Coriolis力而誘發(fā)的翻轉(zhuǎn)運動。萬向安裝件7包 含內(nèi)環(huán)8和外環(huán)9。內(nèi)環(huán)8和外環(huán)9通過兩個扭簧10彼此連接。扭簧10安置成在兩個對 置的樣本模塊I的驅(qū)動方向上對齊。另外兩個扭簧11相對于前述扭簧偏轉(zhuǎn)90° ,將內(nèi)環(huán)8 連接至中心錨固件3。所述扭簧繼而安置成在其它兩個樣本模塊I的驅(qū)動運動方向上對齊。 兩個對置的樣本模塊I自X-Y平面離開的樞轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)因此得以實現(xiàn)，而基本沒有影響安置 在其間和自此處偏轉(zhuǎn)90°被驅(qū)動的兩個樣本模塊I。扭簧10、11也能夠以不同于這里所說 明的方式實施。所述扭簧可以例如分別由兩個平行延伸的彈簧條制成。重要的是，所述扭 簧允許圍繞它們的縱向軸線的轉(zhuǎn)動，并且在其它方向上盡可能穩(wěn)定地被設(shè)置。因此，兩個彈 簧條分叉或會聚的布置結(jié)構(gòu)也是可以想到的。
樣本模塊I的穩(wěn)定支撐通過分別采用兩個外錨固彈簧5和兩個內(nèi)錨固彈簧6來實 現(xiàn)。樣本模塊I圍繞其驅(qū)動方向或驅(qū)動軸線的轉(zhuǎn)動由此得以避免。樣本模塊I因此在X-Y 平面內(nèi)能夠非常穩(wěn)定地被驅(qū)動，以及若出現(xiàn)Coriolis力則能夠圍繞垂直于驅(qū)動軸線的軸 線轉(zhuǎn)動。圍繞驅(qū)動軸線的轉(zhuǎn)動因所述樣本模塊I的懸置而不會發(fā)生。
樣本模塊I的振動驅(qū)動通過驅(qū)動元件15來產(chǎn)生。驅(qū)動元件15為每個樣本模塊I 設(shè)置。在本實施例中，所述元件是叉式電極，所述叉式電極通過AC電壓的施加產(chǎn)生樣本模 塊I的振動直線運動。為了實現(xiàn)樣本模塊I的一致驅(qū)動，為每個樣本模塊I優(yōu)選地設(shè)置多 個所述叉式電極，優(yōu)選設(shè)置幾百個叉式電極。
還是為了實現(xiàn)樣本模塊I的一致驅(qū)動，同步彈簧16在兩個相鄰的樣本模塊I之間 安置。在所述模塊在中心錨固件3與外錨固件4之間未同步振動的情況下，同步彈簧16在 樣本模塊I上產(chǎn)生力。同步驅(qū)動允許使用僅僅一個由驅(qū)動電子器件組成的系統(tǒng)。同步驅(qū)動 還確保了，不會有相互的反作用力出現(xiàn)在微陀螺儀上，在分析中可以通過所述反作用力會產(chǎn)生錯誤。
每個樣本模塊I以框架的形式設(shè)置。傳感器模塊20在框架內(nèi)安置。傳感器模塊20通過四個彈簧21附接至樣本模塊I。彈簧21在傳感器模塊20的角區(qū)處附接至樣本模 塊I。彈簧21允許傳感器模塊20在樣本模塊I中的振動運動。彈簧21基本上防止了出離 樣本模塊I的平面或X-Y平面的偏移。在沒有施加Z軸旋轉(zhuǎn)速度的情況下，傳感器模塊20 與樣本模塊I 一起運動。這意味著，在X軸或Y軸轉(zhuǎn)動速度發(fā)生時，傳感器模塊既參與樣本 模塊I在X-Y平面內(nèi)的驅(qū)動運動，所述傳感器模塊20 (以與樣本模塊I相同的方式)又與所 述樣本模塊I 一起運動出X-Y平面。對于Z軸轉(zhuǎn)動速度施加至所述微陀螺儀的情況，傳感 器模塊20沿正交于樣本模塊I驅(qū)動方向的方向相對于樣本模塊I運動。所述方向是彈簧21唯一允許的運動方向。為了能夠探測傳感器模塊20因Z軸轉(zhuǎn)動速度和關(guān)聯(lián)的Coriolis 力而產(chǎn)生的運動，樣本模塊也實施為框架。傳感器兀件安置在所述框架內(nèi)，其中一些傳感器 元件固定安置在基底2上，其中一些傳感器元件位于傳感器模塊20上。固定電極與傳感器 元件20上的電極之間的距離通過傳感器模塊20相對于樣本模塊I和相對于基底2的運動 來改變，并且所述距離可以通過電容變化來確定。
每個傳感器模塊20包含多個傳感器元件22。傳感器元件22安置在所謂的探測盒 23中。在示出的實施例中，每個傳感器模塊20包含十二個這種探測盒23。
如果對置的傳感器模塊20在X-Y平面內(nèi)與微陀螺儀的直線加速度方向相反地被 偏移，那么所述偏移通過傳感器元件22被記錄。相反，為了確定Z軸轉(zhuǎn)動速度，傳感器模塊 20在相同的周向方向上基本同步地被偏移。微陀螺儀能夠以此被用作傳感器，或者與對 樣本模塊的同步Z軸偏移的測量一起被用作6D傳感器。
圖2描繪探測盒23的實施例。每個探測盒23包括內(nèi)壁，所述內(nèi)壁實施了運動傳 感器模塊20的電極24。電極24朝向?qū)α㈦姌O25，所述對立電極錨固至基底并且與基底絕 緣，從而使得探測盒23在傳感器運動的與樣本模塊I驅(qū)動垂直的方向上的運動導(dǎo)致了所測 量的電容變化。為了避免樣本模塊I的徑向主運動對于在盒23中向左和右發(fā)生變化的邊 界場的影響，可以采用包括與移位的模塊20相同電勢的屏蔽電極26，以此保證恒定的邊界 場。
本發(fā)明不限于所示出的示例性實施例。例如可以根據(jù)同樣地原理構(gòu)建2D傳感器， 所述二維傳感器例如具有僅僅兩個振動驅(qū)動樣本模塊I和安裝在其內(nèi)的傳感器模塊20，以 便探測Z軸轉(zhuǎn)動速度。傳感器模塊20位于樣本模塊I之內(nèi)，這也不是必須的。所述傳感器 模塊還可以基本上安置在樣本模塊I之外，然而其中，微陀螺儀的緊湊構(gòu)造的優(yōu)點不再適用。
權(quán)利要求
1.一種用于探測相對于X軸線和/或Y軸線和Z軸線的運動的微陀螺儀，其特別是作為3D、ro或6D傳感器，所述微陀螺儀具有基底(2)；多個振動樣本模塊(I);用于將所述振動樣本模塊(I)附接至所述基底(2)的錨固件(3、4)、以及安置在所述錨固件(3、4)與所述樣本模塊(I)之間的錨固彈簧(5、6);用于在X-Y平面內(nèi)振動所述樣本模塊(I)的驅(qū)動元件(15 )，從而在所述基底(2 )轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生Coriolis力；以及傳感器元件(22 )，特別是安置在所述樣本模塊(I)下方的電極，從而探測樣本模塊(I) 因所產(chǎn)生的Coriolis力而造成的偏移，其特征在于，所述樣本模塊(I)圍繞中心錨固件(3)均勻地安置，并且能夠相對于所述中心錨固件(3)徑向地被驅(qū)動；所述錨固彈簧(5、6)設(shè)置成所述樣本模塊(I)既能夠在所述X-Y平面內(nèi)徑向偏移，又能夠出離所述X-Y平面偏移；傳感器模塊(20)通過傳感器彈簧(21)安置在所述樣本模塊中的一個上，特別是安置在每個所述樣本模塊(I)上；并且所述傳感器彈簧(21)允許所述傳感器模塊(20)在所述樣本模塊(I)的平面內(nèi)或在所述X-Y平面內(nèi)、且正交于所述樣本模塊(I)的徑向驅(qū)動方向地偏移。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，四個樣本模塊 Cl)圍繞所述中心錨固件(3)的周邊均勻分布。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，彈性萬向安裝件 (7)在所述中心錨固件(3)與所述樣本模塊(I)的彈簧(5、6)之間安置。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，所述彈性萬向安裝件(7)包含兩個環(huán)(8、9)，所述兩個環(huán)通過彼此偏置的扭簧(10、11)而彼此連接。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，所述樣本模塊 (I)和/或所述傳感器模塊(20)以框架的形式設(shè)置。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，所述傳感器模塊(20)在樣本模塊(I)的框架內(nèi)安置。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，所述樣本模塊 (I)通過同步彈簧(16)彼此連接。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，為探測Z軸轉(zhuǎn)動速度，傳感器元件(22)與所述傳感器模塊(20)相關(guān)聯(lián)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，用于探測在垂直的Z軸方向上各個偏移的傳感器元件與所述樣本模塊(I)相關(guān)聯(lián)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，用于探測樣本模塊(I)的Z軸偏移的傳感器兀件由樣本模塊(I)的電容和在所述樣本模塊下方安置在所述基底(2)上的電極來實施。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，兩個分別用于探測兩個對置樣本模塊(I)的Z軸偏移的傳感器兀件被組合到一差分傳感器內(nèi)，所述差分傳感器用于探測所述基底圍繞著垂直于所述成對樣本模塊(I)、在所述X-Y平面內(nèi)的軸線的轉(zhuǎn)動。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，所述振動樣本模塊(I)的驅(qū)動元件(15)是電極，特別是叉式電極。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，用于探測垂直于所述樣本模塊(I)或所述傳感器模塊(20)徑向的偏移的傳感器元件(22)安置在探測盒 (23)內(nèi)，所述探測盒具有用于固定至所述基底(2)的對立電極(25)的屏蔽電極(26)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，為獲知Z軸轉(zhuǎn)動速度，所述傳感器模塊(20)能夠基本上同步地沿相同周向方向偏移，并且為獲知所述微陀螺儀在所述X-Y平面內(nèi)的加速度，至少兩個傳感器模塊(20 )能夠相對于周向方向——沿順時針或逆時針方向-彼此相反地偏移。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的微陀螺儀，其特征在于，為獲知所述微陀螺儀沿垂直的Z軸線的加速度，所述樣本模塊(I)能夠沿垂直方向偏移，并且至少兩個樣本模塊(I)能夠沿同一 Z方向偏移。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于探測相對于X軸和/或Y軸和Z軸的運動的微陀螺儀，特別是作為三維、五維或六維傳感器。所述微陀螺儀包含基底(2)，若干振動樣本模塊(1)，用于將振動樣本模塊(1)附接至所述基底(2)的錨固件(3、4)以及安置在錨固件(3、4)與樣本模塊(1)之間的錨固彈簧(5、6)，用于在X-Y平面內(nèi)振動樣本模塊(1)的驅(qū)動元件(15)，從而在基底(2)轉(zhuǎn)動時生成Coriolis力，以及包含傳感器元件(22)，特別是安置在樣本模塊(1)下方的電極，從而探測樣本模塊(1)因所生成的Coriolis力而產(chǎn)生的偏移。樣本模塊(1)圍繞中心錨固件(3)均勻地安置，并且能夠相對于中心錨固件(3)徑向地被驅(qū)動。錨固彈簧(5、6)設(shè)計成樣本模塊(1)既能夠在X-Y平面內(nèi)徑向偏移，又能夠出離所述X-Y平面偏移。傳感器模塊(20)通過傳感器彈簧(21)安置在一個樣本模塊上，特別是安置在每個樣本模塊(1)上，并且傳感器彈簧(21)允許傳感器模塊(20)在樣本模塊(1)的平面內(nèi)或在X-Y平面內(nèi)、且正交于樣本模塊(1)的徑向驅(qū)動方向的偏移。
文檔編號G01C19/5747GK103026172SQ201180024978
公開日2013年4月3日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者伏爾克·坎普 申請人:瑪克西姆綜合公司