專利名稱：采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器及測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種角速率傳感器，特別涉及一種采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，同時還涉及應用該種振動角速率傳感器的測量系統。
背景技術：
振動角速率傳感器是基于哥式振動原理研制而成的一種測量角速率的慣性傳感器。近年來，隨著微機械加工技術的發展，微機械振動角速率傳感器因其獨特的低功耗、小體積、低成本等特點，在國防和消費電子領域顯示出巨大的優勢。其廣泛的應用于汽車電子(如防側滾系統，防滑控制和電子穩定控制等)、消費電子(如相機穩定、平板電腦及虛擬控制等)、姿態控制(如機器人應用和模型飛機應用)等工業自動化方面；另外在導航、航空航天等軍事領域也有著廣泛應用。傳統的基于哥式振動的角速率傳感器，其設計型式如音叉型、懸臂梁型、輪式型、梳齒型、懸臂梁末端質量塊型、微固體型以及雙懸臂自由梁型等振動型角速率傳感器，其中單振梁型振動角速率傳感器應用較多。隨著MEMS技術的發展，振梁角速率傳感器包括音叉角速率傳感器得到了廣泛的應用，但是基于結構上的弊端，仍存在難以克服的軸間耦合干擾，在對角速度測量上出現明顯的測量誤差；此外，當基體存在明顯的加速度運動時，其單振梁角速率傳感器將對外界加速度敏感，同樣產生角速度測量誤差，降低了測量精度，限制了此類角速率傳感器的應用環境和領域。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的之一是提供一種采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，其有效解決傳統的單振梁振動型角速率傳感器軸間干擾和對基體運動敏感而造成的角速率測量誤差；提高和改善了振動角速率傳感器的測量精度和靈敏度，拓展了振動角速率傳感器的應用環境和領域；本發明的目的之二是提供了一種測量系統。本發明的目的之一是通過以下技術方案實現的
采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，包括外部框架結構、擺動質量塊、驅動臂
I、驅動臂II、敏感臂I和敏感臂II，所述驅動臂I驅動臂II的尺寸相同，敏感臂I和敏感臂II的尺寸相同，均采用薄型片狀結構；
所述驅動臂I、驅動臂II、敏感臂I和敏感臂II的一端分別連接于擺動質量塊的四周，以擺動質量塊為中心組成十字架結構，其中，驅動臂I與驅動臂II相對設置，敏感臂I與敏感臂II相對設置，共同構成振動系統；
所述驅動臂I、驅動臂II、敏感臂I和敏感臂II的另一端分別連接于外部框架結構的內框面，使整套振動系統懸空設置于外部框架結構的內部；
在外界激勵作用下，驅動臂I、II將產生振動，同時帶動擺動質量塊在驅動方向發生擺動，使敏感臂I、II產生扭轉振動；當沿Z軸存在外界角速率輸入Ω時，在擺動質量塊敏感方向側面產生哥式力，擺動質量塊將產生在敏感方向上的擺動，帶動敏感臂I、II產生彎曲振動，并由外界檢測系統檢測得到該彎曲振動的相關參數。進一步，所述外部框架結構為方形框體，所述驅動臂I、驅動臂II、敏感臂I和敏感臂II連接于其分別對應的外部框架結構上各邊框體內側面的中心位置；
進一步，所述擺動質量塊為正方體或長方體結構；
進一步，所述驅動臂I、驅動臂II、敏感臂I和敏感臂II為薄片矩形截面梁結構或圓柱形梁結構；
進一步，所述驅動臂I、驅動臂II、敏感臂I和敏感臂II與擺動質量塊的固定位置位于其四周側面的橫向對稱軸上；
進一步，當擺動質量塊平行于驅動臂和敏感臂的截面為正方形時，驅動臂和敏感臂的長度根據系統的諧振頻率間隔或工作帶寬而定；當擺動質量塊平行于驅動臂和敏感臂的截面為矩形截面時，驅動臂和敏感臂采取相同尺寸設計；
進一步，所述擺動質量塊、外部框架結構、驅動臂I、驅動臂II、敏感臂I、敏感臂II采用微加工技術和同種材料制作；
進一步，所用材料包括合金、石英、多晶硅和二氧化硅。本發明的目的之二是通過以下技術方案實現的
采用如上所述框架式振動角速率傳感器的測量系統。本發明的有益效果是
1.本發明采用驅動臂組和敏感臂組夾角90度的十字交叉方式且通過振動質量塊連接；四懸臂梁的采用將擺動質量塊的擺動轉化為懸臂梁的彎曲振動和扭轉振動，正交連接方式有效降低了傳統單振梁振動面之間的軸間干擾，提高了測量角速度精度；
2.本發明驅動臂組和敏感臂組和外框架固連且外框架俯視為矩形體，此外框架固定了驅動臂和敏感臂的正交性，有效的限制了驅動臂和敏感臂之間的振動耦合干擾；
3.本發明采用矩形截面的長方體薄片驅動臂梁和敏感臂梁，有效的限制了擺動質量的擺動方向，使得質量塊僅在兩正交方向的擺動顯著，消除了質量塊在兩正交方向上的耦合振動；
4.本發明驅動臂組、敏感臂組、質量塊和外框架組成關于質量塊俯視中心呈對稱結構，同時驅動臂組和敏感臂組一端與外框架固定，另一端與質量塊固連，其對稱性結構有效的消除了對基體加速度的敏感度，提高了角速度測量精度；
5.本發明采用驅動臂組和敏感臂組通過振動質量塊連接，有效提高了懸臂梁的振動穩定性，使振動系統的振動方式更穩定；
6.本發明驅動臂組和敏感臂組連接處采用的擺動質量塊為長方體或正方體，使其在外界輸入角速度時兩側面上產生對稱的哥式力，為敏感臂的彎曲提供理想的振動驅動力；同時有效限制驅動臂和敏感臂振動形式為彎曲振動或扭轉振動，且其敏感臂振動幅度和扭轉幅度與外界輸入角速率有關。本發明系統整體通過外框架與外界封裝體固定，有效的降低了外界封裝對驅動臂、敏感臂及質量塊所組成的振動系統的振動性能產生的影響。本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中
圖I采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器側俯視結構 圖2采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器驅動臂工作狀態圖；、
圖3采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器外界輸入角速度 圖4采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器敏感臂工作狀態 圖5采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器工作狀態 圖6采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器裝配圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。如圖I所示，本發明采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器包括外部框架結構101、擺動質量塊401、驅動臂I 201、驅動臂II 202，敏感臂I 301和敏感臂II 302，驅動臂I 201驅動臂II 202的尺寸相同，敏感臂I 301和敏感臂II 302的尺寸相同，均采用薄型片狀結構；驅動臂I 201、驅動臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302的一端分別連接于擺動質量塊401的四周，以擺動質量塊為中心組成十字架結構，其中，驅動臂I 201與驅動臂II 202相對設置，敏感臂I 301與敏感臂II 302相對設置，共同構成振動系統；驅動臂I 201、驅動臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302的另一端分別連接于外部框架結構101的內框面，使整套振動系統懸空設置于外部框架結構101的內部；
本實施例中，外部框架結構101為方形框體，驅動臂1201、驅動臂11202、敏感臂1301和敏感臂II302連接于其分別對應的外部框架結構101上各邊框體內側面的中心位置，擺動質量塊401為長方體結構，驅動臂I 201、驅動臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302為方形薄片結構，驅動臂I 201、驅動臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302與擺動質量塊的固定位置位于其四周側面的橫向對稱軸上。本實施例中，本發明的兩驅動臂設置為尺寸相同、矩形截面的薄片振梁，此有利于在合適的驅動激勵下，驅動臂梁產生所需的振動形式；兩敏感臂均為尺寸相同、矩形截面的薄片振梁，此有利于敏感薄臂梁在哥式力的作用下產生適合的彎曲振形，此彎曲振形被外部檢測系統檢測；驅動臂和敏感臂薄片厚度相同，且和質量塊的固定中心位于質量塊的同一截面上，此有利于降低驅動臂組和敏感臂組對質量塊擺動性能的影響；本發明驅動臂和敏感臂薄片厚度相同，且一端固定于外框架內側面的中心，此對稱結構更利于驅動臂和敏感臂產生所需的振形，且也為質量塊提供了振動空間。當然，驅動臂和敏感臂還可以采用圓柱形梁結構，或其他能夠實現檢測目的的梁結構。本實施例中，由于擺動質量塊401平行于驅動臂和敏感臂的截面為正方形，驅動臂和敏感臂的長度根據系統的諧振頻率間隔而定。作為進一步的改進，所述擺動質量塊401、外部框架結構101、驅動臂1201、驅動臂11202、敏感臂1301、敏感臂II302采用微加工技術和同種材料制作，所用材料包括合金、石英、多晶硅和二氧化硅等。本發明的工作原理如下
結合附圖2，結合相應的四個坐標系，在外界激勵下，驅動臂處于基模諧振工作狀態時，驅動臂I 201繞yl軸在xl軸向上，以角速度Ω I在彎曲振動，同時驅動臂II 202繞y3在x3軸向上以Ω 3=Ω I的振動頻率彎曲，而驅動臂的彎曲振動將帶動擺動質量塊401在xl和χ3軸向上做周期擺動；由于敏感臂和擺動質量塊401連接，在擺動的質量塊帶動下，敏感臂I 301將繞χ2軸以頻率為Ω 2產生扭轉振動，同時敏感臂II 302繞χ4軸以頻率Ω 4產生扭轉振動。結合附圖3，擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器100-5繞ζ方向存在外界輸入旋轉角速度Ω時，由于擺動質量塊401在驅動臂彎曲振動下產生的擺動，此時將在質量塊 的χ2和χ4方向上產生哥式力，從而引起擺動質量塊401在χ2和χ4方向上的擺動。結合附圖4，僅考慮哥式力作用下，敏感臂組的基模達到諧振。敏感臂I 301繞y2在x2軸向產生以頻率為《 2的彎曲振動，同時敏感臂II 302繞y4在χ4軸向產生以頻率為《4的彎曲振動；此外,通過質量塊連接的驅動臂I 201繞xl產生以頻率為ω I扭轉振動，驅動臂II 202繞xl產生以頻率為《3扭轉振動。在哥式力作用下敏感臂1、11發生諧振彎曲振動，同樣一起驅動臂I、II產生扭轉振動，而此彎曲的幅度及扭轉幅度均與外界輸入旋轉角速度Ω有關，通過外界對彎曲幅度和扭轉幅度的檢測，從而達到對外界輸入角速度Ω的檢測，實現了角速率傳感器對角速率的測量功能。附圖5給出了擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器100-7的綜合工作狀態圖，即在外界輸入角速度為Ω時候，擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器100-4、100-6的合成振動圖。本發明的裝配過程如下
如圖6所示，采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器裝配結構(100-8)，其中擺動質量塊401設計成矩形截面或正方形截面的長方體或正方體，根據具體的系統要求的頻率和頻率間隔而定；擺動質量塊401有利于懸臂梁(201、202、301、302)振動形態的穩定，且擺動質量塊長度L401方向上處于自由狀態。驅動臂I、II和敏感臂I、II和擺動質量塊401相互固連；驅動臂的長度L201/L202，寬度W201/W202和厚度Η201/Η202尺寸分別相同，且厚度Η201/Η202尺寸遠小于寬度W201/W202和長度L201/L202尺寸；其驅動臂I 201、驅動臂II 202的一端厚度O. 5ΧΗ201和寬度O. 5XW301的中心和質量塊401長度方向上的中心O. 5XL401相互固定連接；另一端厚度O. 5ΧΗ201的中心和外部框架結構邊框101-1的內側中心位置O. 5ΧΗ101-1/0. 5XL101-1連接固定；其驅動臂II 202采取和驅動臂I 201 —樣的對稱方式和擺動質量塊401及外框架邊101-3連接固定。敏感臂I、II的長度L301/L302，寬度W301/W302和厚度Η301/Η302尺寸分別相同，厚度Η301/Η302的尺寸遠小于寬度W301/W302和長度L301/L302的尺寸；其敏感臂II的一端和厚度O. 5ΧΗ302和寬度O. 5XW302]的中心和擺動質量塊401長度方向上的中心O. 5XL401相互固定連接；另一端厚度O. 5ΧΗ302的中心和外框架邊框101-2的內側中心位置O. 5ΧΗ101-2/0. 5XL101-2連接固定;其敏感臂I 301采取和敏感臂II 302 —樣的對稱方式和擺動質量塊401及外框架101-3連接固定。在加工中驅動臂I、π的厚度Η201/Η202和敏感臂的厚度Η301/Η302尺寸可采取相同，對稱加工；驅動臂的寬W201/W202和敏感臂的寬度W301/W302，根據擺動質量塊401的寬度W401和厚度Η401的尺寸而定。驅動臂和敏感臂的厚度中心處于O. 5XL401的平面上，且其兩臂組的夾角成90度，即垂直正交化安裝。外邊框101-1、101-2、101-3、101-4，其寬度[W101-U W101-2、W101-3、W101-4均相同，采用對稱的結構；其厚度Η101-1、Η101-2、Η101-3、Η101-4均可采取相同的尺寸加工。外框架101-1、101-2、101-3、101-4外側與外部封裝體固定且外框架101采用矩形體結構。此外，封裝體在擺動質量塊的長度L401的方向上，要提供擺動質量塊所需求的擺動空間。另外，該振動角速率傳感器的應用領域廣泛，采用本發明所述的框架式振動角速率傳感器的測量系統也在本發明的保護范圍之內。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，其特征在于所述振動角速率傳感器 包括外部框架結構(101)、擺動質量塊(401)、驅動臂I (201)、驅動臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)，所述驅動臂I (201)驅動臂II (202)的尺寸相同，敏感臂I (301) 和敏感臂II (302)的尺寸相同，均采用薄型片狀結構；所述驅動臂I (201)、驅動臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)的一端分 別連接于擺動質量塊(401)的四周，以擺動質量塊為中心組成十字架結構，其中，驅動臂I (201)與驅動臂II (202)相對設置，敏感臂I (301)與敏感臂II (302)相對設置，共同構 成振動系統；所述驅動臂I (201)、驅動臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)的另一端分 別連接于外部框架結構(101)的內框面，使整套振動系統懸空設置于外部框架結構(101) 的內部；在外界激勵作用下，驅動臂I、II將產生振動，同時帶動擺動質量塊(401)在驅動方向 發生擺動，使敏感臂1、11產生扭轉振動；當沿Z軸存在外界角速率輸入Q時，在擺動質量 塊(401)敏感方向側面產生哥式力，擺動質量塊(401)將產生在敏感方向上的擺動，帶動敏 感臂I、II產生彎曲振動，并由外界檢測系統檢測得到該彎曲振動的相關參數。
2.根據權利要求1所述的采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，其特征在于 所述外部框架結構(101)為方形框體，所述驅動臂1(201)、驅動臂11(202)、敏感臂1(301) 和敏感臂II (302)連接于其分別對應的外部框架結構(101)上各邊框體內側面的中心位 置。
3.根據權利要求1所述的采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，其特征在于 所述擺動質量塊(401)為正方體或長方體結構。
4.根據權利要求1或2或3所述的采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，其特 征在于所述驅動臂I (201)、驅動臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)為薄片 矩形截面梁結構或圓柱形梁結構。
5.根據權利要求4所述的采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，其特征在于 所述驅動臂I (201)、驅動臂II (202)、敏感臂I (301)和敏感臂II (302)與擺動質量塊 的固定位置位于其四周側面的橫向對稱軸上。
6.根據權利要求5所述的采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，其特征在于 當擺動質量塊(401)平行于驅動臂和敏感臂的截面為正方形時，驅動臂和敏感臂的長度根 據系統的諧振頻率間隔或工作帶寬而定；當擺動質量塊(401)平行于驅動臂和敏感臂的截 面為矩形截面時，驅動臂和敏感臂采取相同尺寸設計。
7.根據權利要求1所述的采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，其特征在于 所述擺動質量塊(401)、外部框架結構(101)、驅動臂I (201)、驅動臂II (202)、敏感臂I (301)、敏感臂II (302)采用微加工技術和同種材料制作。
8.根據權利要求7所述的采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，其特征在于 所用材料包括合金、石英、多晶硅和二氧化硅。
9.采用如權利要求1至7任一所述的框架式振動角速率傳感器的測量系統。
全文摘要
本發明公開了一種采用擺動質量塊的框架式振動角速率傳感器，包括四個通過擺動質量塊相互連接的懸臂薄片振梁，四個懸臂梁分為正交的兩對，分別為振動角速率傳感器的驅動臂組和敏感臂組；整體振動系統與外框架固連且通過外框架與封裝殼相固定，驅動臂在外界激勵的作用下產生彎曲振動，引起質量塊的擺動，通過質量塊的擺動帶動敏感臂的扭轉振動；繞Z軸存在外界輸入旋轉角速度Ω時，在擺動質量塊側面產生哥式力，使敏感臂產生彎曲振動，同時通過質量塊帶動驅動臂的扭轉振動；檢測敏感臂的彎曲振動和驅動臂的扭轉振動即達到對外界輸入旋轉角速度Ω的測量，實現了角速率傳感器的功能，有效解決傳統的單振梁振動型角速率傳感器軸間干擾和對基體運動敏感而造成的角速率測量誤差。
文檔編號G01P3/02GK102662074SQ20121018425
公開日2012年9月12日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者劉利, 劉宇, 劉申, 劉聰, 吳英, 歐毅, 熊文激 申請人:重慶郵電大學