包括被引导质量系统的微机械陀螺仪的制作方法
【专利摘要】一种陀螺仪包括一个基底和一个被引导质量系统。该被引导质量系统包括被布置在平行于该基底的一个平面内的多个检测质量和多个引导臂。这些检测质量由多个弹簧联接到该引导臂。该引导臂由多个弹簧联接到该基底。这些检测质量中的至少一者由至少一个锚固件经由一个弹簧系统被直接联接到该基底。该陀螺仪还包括用于使这些检测质量之一在第一方向上振动的一个致动器，这致使另一个检测质量在该平面内旋转。最后，该陀螺仪还包括用于感测该被引导质量系统响应于围绕单条轴线或多条输入轴线的角速度而进行的运动的多个传感器。
【专利说明】包括被引导质量系统的微机械陀螺仪
相关申请的交叉引用
[0001]本申请是2011年9月16日提交的名称为“包括被引导质量系统的微机械陀螺仪(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A GUIDED MASS SYSTEM) ” 的美国专利申请号13/235，296的部分继续申请，该申请的全部内容通过引用结合在此。
发明领域
[0002]本发明总体上涉及角速度感应器并且更具体地涉及包括被引导质量系统的角速度感应器。
进旦冃月^
[0003]常常使用振动式速率陀螺仪来进行角速度感测。振动式速率陀螺仪通过驱动该感应器进行第一运动以及通过测量该感应器响应于该第一运动和有待感测的角速度二者而进行的第二运动来广泛起作用。
[0004]通常，感应器中常被称作检测质量的一个质量被一个致动器驱动而进行振荡。感应器的旋转对该振荡质量施加了一个科里奥利力，这个力是与角速度(或转速)成正比的并且取决于角速度矢量相对于该检测质量的速度矢量的取向。科里奥利力、角速度矢量以及该检测质量的速度矢量是相互正交的。例如，在围绕Y轴旋转的一个感应器中沿X方向运动的一个检测质量受到Z指向的科里奥利力。类似地，在围绕Z轴旋转的一个感应器中沿X方向运动的一个检测质量受到Y指向的科里奥利力。最后，在围绕X轴旋转的一个感应器中沿X方向运动的一个检测质量不受科里奥利力。被施加至该检测质量的这些科里奥利力通常是通过测量该感应器中响应于这些科里奥利力而得到的多个运动来间接感测的。
[0005]用于感测围绕一条平面内轴线(即X轴或Y轴)的角速度的传统陀螺仪可以是平面外驱动的，并且科里奥利响应是在平面内感测的或者反之亦然。平面外驱动与平面内驱动相比趋向于是更低效的、需要额外制作步骤、并且受到非线性特性的限制。例如，平面外驱动该检测质量可能在该检测质量下面需要一个大的竖直空隙或一个空腔以便提供足够的空间来供该检测质量振荡。在该检测质量之下形成一个空腔需要额外制作步骤，因此成本增加。典型地，使用平行板式静电致动器来在平面外驱动该检测质量。这些致动器被形成在该检测质量与基底之间。静电力取决于该检测质量与该基底之间的空隙。因为这个检测质量在平面外振荡，静电力是非线性的，这趋向于限制该装置的性能。另外，由于在该检测质量之下需要具有大的竖直空隙或一个空腔，这个静电力被减小。实现大幅度振荡需要大的力并且可能需要高电压致动。增加高电压致动增大了集成电路的制作成本和复杂性。
[0006]此外，传统的多轴陀螺仪可能使用以独立频率振荡的多个结构来感测角速率。每个结构都需要一个单独的驱动电路来使对应的检测质量振荡。具有不止一个驱动电路使成本和功率消耗增大。
[0007]相应地，所希望的是提供一种克服了以上问题的系统和方法。本发明即针对这种需要。
概述
[0008]—个陀螺仪包括一个基底和一个被引导质量系统。该被引导质量系统包括一个第一检测质量、一个第二检测质量和一个弓I导臂。该第一检测质量、该第二检测质量和该引导臂被放置在平行于该基底的一个平面内。该第一检测质量通过一个第一弹簧被联接到该引导臂；该第二检测质量通过一个第二弹簧被联接到该第一检测质量。该引导臂通过一个第三弹簧被联接到该基底。该第二检测质量由一个锚固件和一个弹簧系统联接到该基底。该陀螺仪还包括用于使该第一检测质量在一个第一方向上振动的一个致动器，该致动器使该第二检测质量在该平面内旋转。最后，该陀螺仪包括至少一个传感器，该至少一个传感器用于感测该被引导质量系统的一个部分响应于围绕该平面内的一条第一输入轴线的角速度而在该平面外的方向上进行的运动。
附图简要说明
[0009]图1A展示了包括被应力释放框架围绕的被引导质量系统的一个单轴陀螺仪的一个实施例。
[0010]图1B示出了图1A的单轴陀螺仪的一个检测质量沿着X轴的截面。
[0011]图1C展示了当外部荷载被施加到图1A的单轴陀螺仪上时该基底以及该检测质量的形状。
[0012]图2A展示了根据本发明的第一单轴陀螺仪构形的一个实施例。
[0013]图2B展示了当基底翘曲时图2A的陀螺仪。
[0014]图3展示了图2A所示的单轴陀螺仪的修改，以便实现一个双轴陀螺仪。在这个实施例中，检测质量经由弹簧系统被联接到该基底。
[0015]图4A展示了根据本发明包括被引导质量系统的一个单轴纵摇陀螺仪的一个实施例。
[0016]图4B示出了图4A中给出的单轴陀螺仪的一个不同实施例。
[0017]图5展示了图4A所示的单轴陀螺仪的修改，以便实现一个双轴陀螺仪。
[0018]图6展示了根据本发明包括平衡式被引导质量系统的一个双轴陀螺仪的一个实施例。
[0019]图7展示了根据本发明包括多重被引导质量系统的一个三轴陀螺仪的一个实施例。
详细说明
[0020]提供以下说明是为了使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且以下说明是在一项专利申请及其要求的背景下提供的。对于这些优选实施例的不同修改和在此说明的一般原理和特征将是本领域技术人员容易了解的。因而，本发明并不旨在限于所示的这些实施例、而是应被给予与在此说明的这些原理和特征一致的最广泛的范围。
[0021]图1A展示了根据一个实施例包括被应力释放框架402围绕的被引导质量系统400的一个单轴陀螺仪。在2011年9月16日提交的名称为“包括被引导质量系统的微机械陀螺仪(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A ⑶IDED MASS SYSTEM) ”的美国专利申请号13/235，296 (IVS-147/5007P)中描述了陀螺仪400，该申请的全部内容通过引用结合在此。被引导质量系统400包括联接到一个纵摇检测质量650上的一个对称式被引导质量系统200。应力释放框架402经由弹簧108a和108b被连接到引导臂104a和104b上并且环绕这个对称式被引导质量系统200。应力释放框架402包括两个应力释放框架构件404a和404b，这两个应力释放框架构件对应地经由应力释放弹簧408a-d被联接到锚固件406a和406b。锚固件406a和406b被附接到基底101上。应力释放构件404a和404b也可以是挠性的。
[0022]在一个实施例中，对称式被引导质量系统200包括引导臂104a和104b。两个引导臂104a和104b经由弹簧103a-b和103c_d对应地被挠性地联接到检测质量102a和检测质量102b。这些引导臂104a和104b、检测质量102a和102b以及联接弹簧103a_d形成一个平面四杆联动装置。
[0023]在一个实施例中，对称式被引导质量系统200可以由联接到这些致动器109a_d上的一个驱动电路来以一定频率进行驱动。在所说明的这些实施例中，这个驱动电路可以是一个单一驱动电路或多个驱动电路。当被引导质量系统200被驱动时，每个弹簧103a、103b、103c、103d、108a和108b在平面内弯曲并且表现为就像用于该四杆联动装置旋转的一个枢转点，从而使得每个引导臂104a和104b可以在Z方向围绕不同轴线进行平面内旋转并且这些检测质量102a和102b沿X方向进行反相平移。在本说明书中，反相的意思是相反的方向，而同相的意思是同一方向。
[0024]纵摇检测质量650经由弹簧652a和652b被挠性地连接到这两个检测质量102a和102b。弹簧652a和652b在扭转意义上是顺性的，使得纵摇检测质量650可以在Y方向上围绕一条纵摇感测轴线进行平面外旋转。弹簧652a和652b是平面内顺性的从而使得当检测质量102a和102b在X方向上被反相地驱动时，这个纵摇检测质量650在Z方向上围绕一条轴线进行平面内旋转。检测质量102a-b的反相运动与纵摇检测质量650围绕Z轴线的平面内旋转的组合被称作驱动运动。尽管纵摇检测质量650在图1A中被示作一个单一质量，但在其他实施例中，检测质量650可以包括经由挠性元件彼此相连接的许多的质量和板。换言之，检测质量650可以包括经由弹簧652a和652b连接到检测质量102a和102b上的质量-弹簧系统组合。
[0025]锚固件406a和406b可能由于热应力、封装应力或其他外部施加的应力而经历例如平移、扩展或剪切等运动。锚固件运动可以在该对称式被引导质量系统上引起应力(例如张力)，从而导致例如刚度及共振频率改变等误差；锚固件运动还可以导致该对称式被引导质量系统的不希望的运动从而导致误差。应力释放框架402使该对称式被引导质量系统200的应力和不希望的运动减少。此外，应力释放框架402并不在该驱动运动中运动。其结果是，施加到该框架上的应力并不被传递到这些弹簧而影响该驱动运动。
[0026]围绕纵摇输入轴线的角速度将使科里奥利力作用在纵摇检测质量650上从而产生使纵摇检测质量650围绕Y轴旋转的一个转矩。纵摇检测质量650的旋转幅度是与围绕该纵摇输入轴线的角速度成正比的。在一个实施例中，在基底上在纵摇检测质量650之下沿X方向的相反两侧布置了电极660a和660b。在一个实施例中，电极660a_b是用于检测该纵摇检测质量围绕Y轴的旋转的多个电容式传感器。纵摇检测质量650的旋转提供了对于围绕纵摇输入轴线的角速度的量度。在其他实施例中，该传感器可以是压电的、光学的或其他类型的并且其用途将位于本发明的精神和范围之内。
[0027]该传感器的灵敏度是角速度输入的改变所引起的电容改变量。对纵摇检测质量650的角速度的传感器灵敏度取决于纵摇检测质量650与电极660a-b之间的额定电容。在一个实施例中，这个额定电容是与纵摇检测质量650和电极660a和660b之间的重叠面积成正比的并且是与检测质量650和电极660a-b之间的空隙成反比的。检测质量650与电极660a-b之间的空隙被称作竖直空隙。这个竖直空隙在图1B中被展示出，该图中示出了检测质量650沿X轴线的一个截面。纵摇检测质量650与电极660a-b之间的竖直空隙是影响陀螺仪的传感器灵敏度的主要因素之一。
[0028]尽管图1A的陀螺仪在多种环境中有效地工作，在陀螺仪的正规操作中该竖直空隙的变化产生了传感器灵敏度变化，这可能导致最终输出中的错误结果。该竖直空隙的变化可能是由像温度变化或作用在陀螺仪上的外部负载这些外部作用所造成。温度变化可以由于该基底与用于封装和组装的材料的热膨胀系数(CTE)失配而导致基底翘曲。类似地，施加到该陀螺仪上的外部负载可以导致基底101翘曲(见图1C)。如果该陀螺仪不是和基底一样多地翘曲，则纵摇检测质量650与电极660a-b之间的竖直空隙发生改变。随后，这种竖直空隙变化引起传感器灵敏度的变化并且通过环境影响而引起该陀螺仪的错误测量。环境影响所造成的错误结果的严重程度取决于该竖直空隙的变化量。
[0029]图2A示出了一种单轴陀螺仪构形的实施例。图2A包括图1A的所有特征，除纵摇检测质量650之外。纵摇检测质量651由锚固件800通过弹簧710a-b连接到基底101。弹簧710a-b对于纵摇检测质量651围绕Z轴的平面内旋转以及围绕Y轴的平面外扭转性旋转是顺性的。另一方面，弹簧710a-b对于平面外的平移(Z方向平移)是非常刚性的。其结果是，任何平面外运动或基底101的翘曲都可以由锚固件800通过弹簧710a-b被传递到纵摇检测质量651。
[0030]图2B示出了沿翘曲的基底101的Y轴得到的截面的一个实施例。如在图2B中可以看到，纵摇检测质量651由于通过锚固件800和弹簧710a-b进行连接而跟随基底101的运动。因此，当基底处于外部负载或温度变化中时，纵摇检测质量651可以基本上跟随相同量的竖直偏转。结果是，电极660a-b与纵摇检测质量651之间的竖直空隙保持相同，并且由于外部影响引起的该单轴陀螺仪的角速度敏感性的变化被消除。
[0031]图3展示了图2A中示出的单轴陀螺仪400A的修改，以便实现一种双轴陀螺仪550。在这个实施例中，纵摇检测质量653经由弹簧系统730被联接到基底101。弹簧系统730包括三个挠性元件731a-c和一个刚性元件731d。刚性元件731d经由挠性元件731c连接到锚固件802，并且刚性元件731d经由弹簧731a-b连接到纵摇检测质量653。刚性元件731d用于将弹簧731a-b放置成远离该纵摇检测质量653的旋转中心。其结果是，弹簧731a-b的刚度足以使在该驱动运动中它们的弯曲被最小化并且它们与纵摇检测质量653一起运动。此外，弹簧731a-b在扭转意义上围绕X轴是顺性的并且在所有其他方向上是非常刚性的，这样允许纵摇检测质量653、横摇检测质量102a-b以及引导臂104a_b围绕X轴旋转。
[0032]弹簧731c顺应于平面内弯曲从而表现为就像用于检测质量653围绕Z轴旋转的一个枢转点。弹簧731c围绕Y轴也是在扭转意义上顺性的。类似于图2A中给出的实施方式，因为纵摇检测质量是经由锚固件802通过在平面外方向上为刚性的弹簧系统730而连接到基底101上的，纵摇检测质量653跟随基底101的运动并且该竖直空隙即使在外部影响(像温度变化和外部施加的力)之下也保持相同。
[0033]由于弹簧系统730的顺性，纵摇检测质量653可以在扭转意义上围绕X轴和Y轴二者进行平面外旋转。其结果是，该双轴陀螺仪不仅可以响应于围绕纵摇输入轴的角速度而且还可以响应于围绕横摇输入轴线的角速度。
[0034]该对称式被引导质量系统203可以被联接到致动器109a_d上的一个驱动电路以一定频率来驱动。当这个被引导质量系统203被驱动时，引导臂104a和104b各自在Z方向上围绕不同轴线进行平面内旋转，横摇检测质量102a和102b沿X方向进行反相平移并且检测质量653围绕Z轴进行旋转。围绕横摇输入轴线的角速度将使科里奥利力在Z方向上反相地作用于横摇检测质量102a和102b上。
[0035]这些科里奥利力使被引导质量系统203围绕X轴进行平面外旋转。当被引导质量系统203进行平面外旋转时，这些引导臂104a和104b围绕X轴旋转，并且横摇检测质量102a和102b被引导臂104a和104b约束为进行平面外反相运动。在横摇检测质量102a和102b之下的电极112a和112b对应地被用于检测该被引导质量系统200围绕第一横摇感测轴线的旋转。这种旋转提供了对于围绕横摇输入轴线的角速度的一种量度。
[0036]围绕纵摇感测轴线的角速度的检测机构与图2A中给出的构形相同。围绕纵摇输入轴线的角速度将使科里奥利力作用在纵摇检测质量653上从而产生了使纵摇检测质量653围绕Y轴旋转的一个转矩，这是因为弹簧731c围绕Y轴在扭转意义上是顺性的。纵摇检测质量653的旋转幅值是与围绕纵摇输入轴线的角速度成正比的。在基底上在纵摇检测质量653之下沿X方向的相反两侧上布置了电极660a和660b,并且这些电极检测该纵摇检测质量围绕Y轴的旋转。
[0037]图4A展示了根据本发明包括被引导质量系统150的单轴纵摇陀螺仪的一个实施例。这个被引导质量系统150包括引导臂104a和104b，这些引导臂经由至少一个锚固点106通过弹簧108a和108b被挠性地联接到基底101。这两个引导臂104a和104b经由弹簧103a和103b被挠性地联接到一个检测质量102a上。
[0038]检测质量102a、引导臂104a和104b、锚固点106、以及弹簧103a、103b、108a和108b形成一个平面四杆联动装置。每个弹簧103a、103b、108a和108b发生平面内弯曲并且表现为就像用于该四杆联动装置旋转的枢转点，从而当检测质量102a在X方向上平移时，每个引导臂104a和104b可以在Z方向围绕不同轴线进行平面内旋转。
[0039]被引导质量系统150还包括一个纵摇检测质量651。纵摇检测质量651经由弹簧652a被挠性地联接到检测质量102a并且经由一个锚固件800通过弹簧710a-b被连接到基底101。弹簧652a和弹簧710a-b是平面内顺性的，这样使得当梳型指件109a_b施加的静电力使该检测质量102a在X方向被驱动时，纵摇检测质量651在该驱动模式下沿着Z方向围绕一条轴线进行平面内旋转。
[0040]弹簧710a_b对于该纵摇检测质量围绕Y轴的平面外旋转也是顺性的。另一方面，弹簧710a-b对于平面外平移(Z方向平移)是非常刚性的。其结果是，基底101的任何平面外运动或翘曲都可以经由锚固件800通过弹簧710a-b被传递到纵摇检测质量651。因而，当该基底处于外部负载或温度变化中时，纵摇检测质量651可以跟随相同量的竖直偏转，这样减小了该竖直空隙的变化。
[0041]围绕纵摇输入轴线的角速度将使科里奥利力作用于纵摇检测质量651上从而产生使纵摇检测质量651围绕与纵摇输入轴线正交的纵摇感测轴线进行旋转的一个转矩。纵摇检测质量651的旋转幅值是与围绕纵摇输入轴线的角速度成正比的。在基底上在纵摇检测质量651之下沿着X方向的相反两侧布置了电极660a和660b并且这些电极检测该纵摇检测质量围绕Y轴的旋转。围绕Y轴的旋转提供了对于围绕纵摇输入轴线的角速度的一种量度。
[0042]图4B示出了图4A中给出的单轴陀螺仪的一个不同实施例。在图4B中，检测质量651被放置在由检测质量102a、引导臂104a和104b、锚固点106、以及弹簧103a、103b、108a、和108b限定的四杆联动装置的外部。如果该四杆联动装置所包围的面积是有限的或者出于任何其他设计目的(例如，一个用于感测围绕偏摆轴线的角速度的额外检测质量或多个额外的驱动电极)，可以使用图4B中给出的实施例。
[0043]图5展示了图4A中所示的单轴陀螺仪的修改的一个实施例，用于实现一种双轴陀螺仪。在这个实施例中，检测质量653经由弹簧系统730被联接到基底101。弹簧系统730包括三个挠性元件731a-c和一个刚性元件731d。刚性元件731d经由挠性元件731c被连接到锚固件802，并且刚性元件731d经由弹簧731a-b被连接到纵摇检测质量653。
[0044]弹簧731a_b围绕X轴在扭转意义上是顺性的并且在所有其他方向上是非常刚性的，这样允许纵摇检测质量653、横摇检测质量102a和引导臂104a_b围绕X轴旋转。弹簧731c顺应于平面内弯曲从而表现为就像用于检测质量653围绕Z轴旋转的一个枢转点。弹簧731c围绕Y轴在扭转意义上也是顺性的。
[0045]类似于图2A给出的实施方式，由于纵摇检测质量653是经由锚固件802通过在平面外的方向上为刚性的弹簧系统730而连接到基底上的，该纵摇检测质量跟随基底的运动并且该竖直空隙即使在外部影响(像温度变化和外部负载)之下也保持相同。
[0046]图5中给出的纵摇检测质量653可以在弹簧系统730的帮助下而在扭转意义上围绕X轴和Y轴二者进行平面外旋转。其结果是，该双轴陀螺仪不仅可以响应于围绕纵摇输入轴线的角速度而且还可以响应于围绕横摇输入轴线的角速度。
[0047]在一个实施例中，被引导质量系统300可以被联接到致动器109a_b上一个驱动电路以一定频率来驱动。当被弓I导质量系统300受到驱动时，弓丨导臂104a和104b各自在Z方向上围绕不同轴线进行平面内旋转，横摇检测质量102a沿X方向进行平移，并且检测质量653围绕Z轴进行旋转。围绕横摇输入轴线的角速度将使科里奥利力在Z方向作用于横摇检测质量102a上。这些科里奥利力使被引导质量系统300围绕X轴进行平面外旋转。当被引导质量系统300进行平面外旋转时，引导臂104a和104b围绕X轴旋转，并且横摇检测质量102a被引导臂104a和104b约束为进行平面外运动。横摇检测质量102a之下的多个电极112a被用来检测被引导质量系统300围绕第一横摇感测轴线的旋转。这种旋转提供了对于围绕横摇输入轴线的角速度的一种量度。
[0048]被引导质量系统300围绕纵摇感测轴线的角速度的检测机构与图4A中给出的构形相同。围绕纵摇输入轴线的角速度将使科里奥利力作用于纵摇检测质量653上从而产生使纵摇检测质量653围绕Y轴旋转的一个转矩，这是因为弹簧731c围绕Y轴在扭转意义上是顺性的。纵摇检测质量653的旋转幅值是与围绕纵摇输入轴线的角速度成正比的。在基底上在纵摇检测质量650之下沿X方向的相反两侧布置了电极660a和660b并且这些电极检测该纵摇检测质量围绕Y轴线的旋转。
[0049]图6展示了根据本发明包括一个平衡式被引导质量系统600的双轴陀螺仪的实施例。被弓I导质量系统600包括由联接弹簧302a联接在一起的两个被弓I导质量系统600a和600b。这些被引导质量系统600a和600b经由弹簧108a_d连接到锚固件106a_d上。
[0050]对称式被引导质量系统600a围绕一条第一横摇感测轴线进行平面外旋转。对称式被引导质量系统600b围绕在平面内的并且与该第一横摇感测轴线平行的一条第二横摇感测轴线进行平面外旋转。联接弹簧302a被连接到横摇检测质量102b和102c上。联接弹簧302a围绕X方向上的一条轴线在扭转意义上是顺性的，这样使得这些对称式被引导质量系统600a和600b可以围绕该第一横摇感测轴线和第二横摇感测轴线进行反相的平面外旋转。联接弹簧302a在Z方向是刚性的，这样防止了对称式被引导质量系统600a和600b的同相的平面外旋转。
[0051]在一个实施例中，纵摇检测质量650a和650b经由弹簧652a_d而各自被挠性地连接到它们的对应的四个横摇检测质量102a-102d上。弹簧652a和652b在扭转意义上是顺性的，而使得纵摇检测质量650a可以在Y方向围绕一条第一纵摇感测轴线进行平面外旋转，并且弹簧652c和652d在扭转意义上是顺性的，而使得纵摇检测质量650b可以在Y方向上围绕一条第二纵摇感测轴线进行平面外旋转。
[0052]在这个实施例中，检测质量650a和650b对应地经由弹簧系统831和832同样被联接到基底。在一个实施例中，弹簧系统831和832是与弹簧系统730相同。类似于图3中给出的实施方式，纵摇检测质量650a和650b跟随基底的运动，并且基底与这些检测质量之间的竖直空隙甚至在像温度变化和外部施加的力这些外部影响之下也保持相同。
[0053]这两个对称式被引导质量系统600a和600b被安排成使得这些横摇检测质量102a-d都在X方向上运动。联接弹簧302a在X方向上是刚性的，以使得横摇检测质量102b和102c在X方向上一起运动。横摇检测质量102a和102d与横摇检测质量102b和102c相反地运动。
[0054]弹簧652a_d是平面内顺性的，这样使得当横摇检测质量102a_d受到驱动时，纵摇检测质量650a和650b在Z方向上围绕多条分离的轴线进行反相的平面内旋转。静电致动器109a_h (例如梳型驱动器)被连接到横摇检测质量102a_d上以驱动该平衡式被引导质量系统600。包括横摇检测质量102a-d和纵摇检测质量650a和650b的这两个被引导质量系统600a和600b —起被联接到致动器109a-h上的一个驱动电路以一定频率驱动。
[0055]在X方向围绕纵摇输入轴线的角速度将使科里奥利力围绕该第一纵摇感测轴线和第二纵摇感测轴线分别作用于纵摇检测质量650a和650b上。这些科里奥利力致使纵摇检测质量650a和650b围绕该第一纵摇感测轴线和第二纵摇感测轴线进行反相的平面外旋转。纵摇检测质量650a和650b围绕该第一纵摇感测轴线和第二纵摇感测轴线的旋转幅值是与围绕纵摇输入轴线的角速度成正比的。
[0056]在一个实施例中，位于纵摇检测质量650a和650b之下的传感器660a_660d被用于检测围绕该第一纵摇感测轴线和第二纵摇感测轴线的反相旋转。围绕该横摇输入轴线的外部施加的角加速度将在纵摇检测质量650a和650b上产生同相的惯性转矩，从而使这些检测质量围绕该第一纵摇感测轴线和第二纵摇感测轴线进行平面内旋转。传感器660a和660d可以相联接并且传感器660b和660c可以相联接，这样使得不检测这些纵摇检测质量650a和650b的平面内旋转，而是检测反相旋转。
[0057]围绕横摇输入轴线的角速度将使科里奥利力在Z方向上作用于横摇检测质量102a-d。这些科里奥利力致使该对称式被引导质量系统600a和600b围绕该第一横摇感测轴线和第二横摇感测轴线进行反相的平面外旋转。位于横摇检测质量102a_d之下的传感器112a-c被用于检测这些对称式被引导质量系统600a和600b的旋转。围绕该纵摇输入轴线的外部施加的角加速度将在这些对称式被引导质量系统600a和600b上产生同相的惯性转矩。
[0058]然而，这些对称式被弓I导质量系统600a和600b并不旋转，这是因为联接弹簧302a防止了围绕该第一横摇感测轴线和第二横摇感测轴线的同相旋转。传感器112a和112c可以相联接，从而使得不检测这些对称式被引导质量系统600a和600b的同相旋转，而是检测反相旋转。
[0059]图7展示了根据本发明包括一个多重被引导质量系统1200的三轴陀螺仪的一个实施例。该多重被引导质量系统1200包括与一个应力释放框架402相联接的多重被引导质量系统1100。
[0060]应力释放框架402经由弹簧108a-f被对应地连接到引导臂104a_f上并且环绕了该多重被引导质量系统1100。被引导质量系统500a、500b和600被安排成使得，当横摇检测质量102a-d都在X方向上运动时，纵摇检测质量653在Z方向围绕一条轴线进行旋转，并且偏摆检测质量518a和518b在X方向上进行反相运动。这些被引导质量系统500a、500b和600 —起被联接到致动器109a-h上的一个驱动电路以一定频率驱动。
[0061]在一个实施例中，围绕纵摇输入轴线的角速度致使科里奥利力作用于纵摇检测质量653上从而产生使纵摇检测质量653围绕纵摇感测轴线旋转的一个转矩。纵摇检测质量653的旋转幅值是与围绕纵摇输入轴线的角速度成正比的。在纵摇检测质量653之下沿X方向的相反两侧布置了电极660a和660b并且这些电极检测该纵摇检测质量围绕纵摇感测轴线的旋转。这种旋转提供了对于围绕纵摇输入轴线的角速度的一种量度。类似于图5中给出的纵摇检测质量的构形，检测质量653经由锚固件802通过使用弹簧系统730被连接到基底上。
[0062]围绕横摇输入轴线的角速度致使科里奥利力在Z方向上作用于横摇检测质量102a和102b并且在相反的Z方向上作用于横摇检测质量102c和102d。这些科里奥利力致使这些被引导质量系统500a、600和500b分别围绕第一横摇感测轴线、第二横摇感测轴线和第三横摇感测轴线进行平面外旋转。位于横摇检测质量102a和102b之下的电极112a以及位于横摇检测质量102c和102d之下的电极112b被用于检测该被引导质量系统1100的旋转。这种旋转提供了对于围绕横摇输入轴线的角速度的一种量度。
[0063]围绕偏摆输入轴线的角速度致使科里奥利力作用于偏摆检测质量518a和518b上从而引起这些偏摆检测质量518a和518b沿Y方向的反相运动。这些偏摆检测质量沿Y方向的运动幅值是与角速度成正比的。电极522a和522b被用于感测相应的偏摆检测质量518a和518b沿Y方向的运动。
[0064]尽管已经根据所示的这些实施例说明了本发明，但本领域普通技术人员将容易认识到，可以存在对这些实施例的变更并且这些变更将位于本发明的精神和范围之内。因此，本领域普通技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出许多修改。
【权利要求】
1.一种陀螺仪，包括: 一个基底； 一个被引导质量系统，该被引导质量系统包括至少一个第一检测质量、至少一个第二检测质量和至少一个引导臂； 其中该至少一个第一检测质量、该至少一个第二检测质量和该至少一个引导臂被布置在平行于该基底的一个平面内； 其中该至少一个第一检测质量通过至少一个第一弹簧被联接到该至少一个引导臂；其中该至少一个第二检测质量通过至少一个第二弹簧被联接到该至少一个第一检测质量; 其中该至少一个引导臂通过至少一个第三弹簧被联接到该基底； 其中该至少一个第二检测质量通过至少一个第四弹簧被联接到该基底； 一个致动器致使该至少一个第一检测质量在一个第一方向振动并且致使该至少一个第二检测质量以及该至少一个引导臂在该平面内旋转；以及 至少一个传感器，该至少一个传感器用于感测该被引导质量系统的一个部分响应于围绕该平面内的一条第一输入轴线的角速度而在该平面外进行的运动。
2.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该至少一个引导臂以及该至少一个第二检测质量由一个锚固件被联接到该基底。
3.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该至少一个第二检测质量以及该至少一个引导臂在同一方向上旋转。
4.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该至少一个第二检测质量以及该至少一个引导臂在相反方向上旋转。
5.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该至少一个传感器感测该至少一个第二检测质量响应于围绕一条平行于该第一方向的输入轴线的角速度而在该平面外进行的运动。
6.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该至少一个引导臂以及该至少一个第一检测质量能够围绕一条第一感测轴线在该平面外旋转，该第一感测轴线是在该平面内的并且平行于该第一方向。
7.如权利要求1所述的陀螺仪，该至少一个传感器感测该至少一个第一检测质量响应于围绕该第一输入轴线的角速度而在该平面外进行的运动；该第一输入轴线是在该平面内的并且与该第一方向正交。
8.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该至少一个第四弹簧在该平面内是顺性的从而允许在该平面内的旋转、并且在该平面外是顺性的从而允许围绕一条第二感测轴线的旋转，其中该第二感测轴线是在该平面内的并且与该第一方向正交。
9.如权利要求8所述的陀螺仪，其中该第二检测质量被连接到至少一个第五弹簧上，其中该至少一个第五弹簧被连接到至少一个刚性元件上，其中该至少一个刚性元件被连接到该第四弹簧上，其中该至少一个第五弹簧围绕一条第一感测轴线是顺性的。
10.如权利要求8所述的陀螺仪，进一步包括一个第二传感器；其中该第二传感器感测该至少一个第二检测质量响应于围绕一条平行于该第一方向的输入轴线的角速度而在该平面外进行的运动。
11.一种陀螺仪，包括: 一个基底； 一个被引导质量系统，该被引导质量系统包括至少一个第一检测质量、至少一个第二检测质量、至少一个中心检测质量以及至少一个引导臂， 其中该至少一个第一检测质量、该至少一个第二检测质量、该至少一个中心检测质量以及该至少一个引导臂被布置在平行于该基底的一个平面内， 该至少一个第一检测质量通过至少一个第一弹簧被联接到该至少一个引导臂并且该至少一个第二检测质量通过至少一个第二弹簧被联接到该至少一个引导臂； 该至少一个中心检测质量通过至少一个第三弹簧被联接到该至少一个第一检测质量并且该至少一个中心检测质量通过至少一个第四弹簧被联接到该至少一个第二检测质量; 该至少一个引导臂通过至少一个第五弹簧被联接到该基底； 该至少一个中心检测质量由至少一个锚固件通过至少一个第六弹簧被联接到该基底； 其中该至少一个引导臂允许该至少一个第一检测质量和该至少一个第二检测质量在该平面内在一个第一方向进行反相运动； 一个致动器致使该至少一个第一检测质量以及该至少一个第二检测质量在该第一方向上反相振动、致使该至少一个中心检测质量以及至少一个引导臂在该平面内旋转；以及至少一个传感器，该至少一个传感器用于感测该被引导质量系统的一个部分响应于围绕该平面内的一条第一输入轴线的角速度而在该平面外进行的运动。
12.如权利要求11所述的陀螺仪，进一步包括: 一个应力释放框架， 其中，该至少一个引导臂经由该至少一个第五弹簧被联接到该应力释放框架， 其中该应力释放框架通过一个锚固件被联接到该基底， 其中该应力释放框架响应于该致动器基本上不振动。
13.如权利要求11所述的陀螺仪，其中该至少一个引导臂、该至少一个第一检测质量、以及该至少一个第二检测质量能够在该平面外围绕该第一感测轴线进行旋转。
14.如权利要求13所述的陀螺仪，其中该至少一个第六弹簧在该平面内是顺性的从而允许在该平面内的旋转、并且在该平面外是顺性的从而允许围绕一条第二感测轴线的旋转。
15.如权利要求11所述的陀螺仪，其中该至少一个中心检测质量被连接到至少一个第七弹簧上，其中该至少一个第七弹簧被连接到至少一个刚性元件上，其中该至少一个刚性元件被连接到该第六弹簧上，其中该至少一个第七弹簧围绕一条第一感测轴线是顺性的。
16.如权利要求11所述的陀螺仪，该至少一个传感器感测该至少一个第一检测质量响应于围绕该第一输入轴线的角速度而在该平面外进行的运动；该第一输入轴线是在该平面内的并且与该第一方向正交。
17.如权利要求11所述的陀螺仪，进一步包括至少第二传感器，其中该第二传感器感测该至少一个中心检测质量响应于围绕与该第一方向平行的一条输入轴线的角速度而在该平面外进行的运动。
18.一种陀螺仪，包括: 一个基底； 一个第一被引导质量系统和一个第二被引导质量系统； 联接该第一被弓I导质量系统和该第二被弓I导质量系统的一个连接弹簧， 该第一被引导质量系统和该第二被引导质量系统各自包括至少一个第一检测质量、至少一个第二检测质量、至少一个中心检测质量以及至少一个弓I导臂， 其中该至少一个第一检测质量、该至少一个第二检测质量、该至少一个中心检测质量以及该至少一个引导臂是平行于该基底布置的， 其中该至少一个中心检测质量被联接到该至少一个第一检测质量和该至少一个第二检测质量， 其中该至少一个第一检测质量和该至少一个第二检测质量被联接到该至少一个引导臂， 其中该至少一个中心检测质量被联接到该基底并且该至少一个引导臂被联接到该基底， 其中该至少一个中心检测质量能够围绕在平面内的并且与一个第一方向正交的一条感测轴线进行旋转， 其中该至少一个引导臂允许该至少一个第一检测质量和该至少一个第二检测质量在该平面内在一个第一方向上进行反相运动； 用于使该第一被引导质量系统和该第二被引导质量系统振动的一个致动器致使该至少一个第一检测质量和该至少一个第二检测质量沿着该第一方向反相地运动， 其中该第一被引导质量系统的该至少一个中心检测质量以及该第二被引导质量系统的该中心检测质量围绕一条垂直于该平面的轴线反相地旋转；以及 至少一个传感器，该至少一个传感器用于感测该第一被引导质量系统和该第二被引导质量系统的一个部分响应于围绕该平面内的一条输入轴线的角速度而在该平面外进行的运动。
19.如权利要求18所述的陀螺仪，其中该连接弹簧将该第一被引导质量系统的该第一检测质量与该第二被引导质量系统的该第二检测质量相联接。
20.如权利要求18所述的陀螺仪，其中该第一被引导质量系统的该第一检测质量以及该第二被引导质量系统的该第一检测质量具有反相运动。
21.如权利要求18所述的陀螺仪，其中该第一被引导质量系统围绕一条第一轴线旋转，该第二被引导质量系统围绕一条第二轴线旋转，该第一被引导质量系统和该第二被引导质量系统围绕该第一轴线和该第二轴线反相旋转，其中该第一轴线和该第二轴线是在该平面内的并且平行于该第一方向。
22.如权利要求18所述的陀螺仪，该至少一个传感器感测该第一被引导质量系统和该第二被引导质量系统的该至少一个中心检测质量响应于围绕在该平面内的并且平行于该第一方向的一条轴线的角速度而进行的运动。
23.如权利要求22所述的陀螺仪，进一步包括至少一个第二传感器，该至少一个第二传感器用于感测该第一被引导质量系统和该第二被引导质量系统的该第一检测质量和该第二检测质量响应于在该平面内的并且与该第一方向正交的角速度而进行的运动。
24.如权利要求18所述的陀螺仪，该第一被引导质量系统的该中心检测质量和该第二被引导质量系统的该中心检测质量响应于围绕在该平面内的并且平行于该第一方向的一条轴线的角速度而围绕它们的相应感测轴线进行反相旋转。
25.—种陀螺仪，包括: 一个基底； 一个被引导质量系统，该被引导质量系统包括至少一个第一检测质量和至少一个第二检测质量、至少一个中心检测质量、以及至少一个引导臂， 其中该至少一个第一检测质量、该至少一个第二检测质量和该至少一个中心检测质量、以及该至少一个引导臂是平行于该基底布置的， 其中该至少一个第一检测质量被联接到该至少一个引导臂， 其中该至少一个第二检测质量被联接到该至少一个第一检测质量， 其中该至少一个中心检测质量被联接到该第一检测质量并且被联接到该基底， 其中该至少一个引导臂被联接到该基底； 用于使该被引导质量系统振动的一个致动器， 其中该至少一个引导臂在平面内旋转并且允许该至少第一检测质量和第二检测质量在平行于该基底的一个平面内沿一个第一方向运动， 其中该至少一个中心检测质量围绕垂直于该平面的一条轴线进行旋转， 其中该至少一个引导臂以及该至少一个第一检测质量和该至少一个第二检测质量响应于围绕在该平面内的并且与该第一方向正交的一条第一输入轴线的角速度而围绕一条第一感测轴线进行旋转，该第一感测轴线是平面内的并且平行于该第一方向； 其中该至少一个中心检测质量响应于围绕在该平面内的并且平行于该第一方向的该第二输入轴线的角速度而围绕在平面内的并且与该第一方向正交的一条轴线进行旋转，其中该第二检测质量能够响应于围绕一条垂直于该平面的第三输入轴线的角速度而在平面内在与该第一方向正交的一个方向上进行运动； 一个第一传感器，该第一传感器用于感测该第一检测质量的一个部分响应于围绕该第一输入轴线的角速度而进行的运动； 一个第二传感器，该第二传感器用于感测该被引导质量系统的一个部分响应于围绕该第二输入轴线的角速度而进行的运动；以及 一个第三传感器，该第三传感器用于感测该被引导质量系统的一个部分响应于围绕该第三输入轴线的角速度而进行的运动。
26.如权利要求25所述的装置，该中心质量由一个杠杆臂联接到该基底，其中该致动器致使该杠杆臂围绕与该平面正交的一条轴线旋转，并且其中该杠杆臂响应于围绕在该平面内的并且平行于该第一方向的该第二输入轴线的角速度而围绕在该平面内的并且与该第一方向正交的一条轴线进行旋转。
【文档编号】G01C19/5712GK104515517SQ201410505767
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】奥赞·阿纳奇, 约瑟夫·西格 申请人:因文森斯公司