采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器及测量系统

摘要

本发明公开了一种采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器，包括四个通过摆动质量块相互连接的悬臂薄片振梁，四个悬臂梁分为正交的两对，分别为振动角速率传感器的驱动臂组和敏感臂组；整体振动系统与外框架固连且通过外框架与封装壳相固定，驱动臂在外界激励的作用下产生弯曲振动，引起质量块的摆动，通过质量块的摆动带动敏感臂的扭转振动；绕Z轴存在外界输入旋转角速度Ω时，在摆动质量块侧面产生哥式力，使敏感臂产生弯曲振动，同时通过质量块带动驱动臂的扭转振动；检测敏感臂的弯曲振动和驱动臂的扭转振动即达到对外界输入旋转角速度Ω的测量，实现了角速率传感器的功能，有效解决传统的单振梁振动型角速率传感器轴间干扰和对基体运动敏感而造成的角速率测量误差。

说明书

技术领域

本发明涉及一种角速率传感器，特别涉及一种采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器，同时还涉及应用该种振动角速率传感器的测量系统。

背景技术

振动角速率传感器是基于哥式振动原理研制而成的一种测量角速率的惯性传感器。近年来，随着微机械加工技术的发展，微机械振动角速率传感器因其独特的低功耗、小体积、低成本等特点，在国防和消费电子领域显示出巨大的优势。其广泛的应用于汽车电子（如防侧滚系统，防滑控制和电子稳定控制等）、消费电子（如相机稳定、平板电脑及虚拟控制等）、姿态控制（如机器人应用和模型飞机应用）等工业自动化方面；另外在导航、航空航天等军事领域也有着广泛应用。

传统的基于哥式振动的角速率传感器，其设计型式如音叉型、悬臂梁型、轮式型、梳齿型、悬臂梁末端质量块型、微固体型以及双悬臂自由梁型等振动型角速率传感器，其中单振梁型振动角速率传感器应用较多。随着MEMS技术的发展，振梁角速率传感器包括音叉角速率传感器得到了广泛的应用，但是基于结构上的弊端，仍存在难以克服的轴间耦合干扰，在对角速度测量上出现明显的测量误差；此外，当基体存在明显的加速度运动时，其单振梁角速率传感器将对外界加速度敏感，同样产生角速度测量误差，降低了测量精度，限制了此类角速率传感器的应用环境和领域。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器，其有效解决传统的单振梁振动型角速率传感器轴间干扰和对基体运动敏感而造成的角速率测量误差；提高和改善了振动角速率传感器的测量精度和灵敏度，拓展了振动角速率传感器的应用环境和领域；本发明的目的之二是提供了一种测量系统。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器，包括外部框架结构、摆动质量块、驱动臂I、驱动臂II、敏感臂I和敏感臂II，所述驱动臂I驱动臂II的尺寸相同，敏感臂I和敏感臂II的尺寸相同，均采用薄型片状结构；

所述驱动臂I、驱动臂II、敏感臂I和敏感臂II的一端分别连接于摆动质量块的四周，以摆动质量块为中心组成十字架结构，其中，驱动臂I与驱动臂II相对设置，敏感臂I与敏感臂II相对设置，共同构成振动系统；

所述驱动臂I、驱动臂II、敏感臂I和敏感臂II的另一端分别连接于外部框架结构的内框面，使整套振动系统悬空设置于外部框架结构的内部；

在外界激励作用下，驱动臂I、II将产生振动，同时带动摆动质量块在驱动方向发生摆动，使敏感臂I、II产生扭转振动；当沿Z轴存在外界角速率输入Ω时，在摆动质量块敏感方向侧面产生哥式力，摆动质量块将产生在敏感方向上的摆动，带动敏感臂I、II产生弯曲振动，并由外界检测系统检测得到该弯曲振动的相关参数。

进一步，所述外部框架结构为方形框体，所述驱动臂I、驱动臂II、敏感臂I和敏感臂II连接于其分别对应的外部框架结构上各边框体内侧面的中心位置；

进一步，所述摆动质量块为正方体或长方体结构；

进一步，所述驱动臂I、驱动臂II、敏感臂I和敏感臂II为薄片矩形截面梁结构或圆柱形梁结构；

进一步，所述驱动臂I、驱动臂II、敏感臂I和敏感臂II与摆动质量块的固定位置位于其四周侧面的横向对称轴上；

进一步，当摆动质量块平行于驱动臂和敏感臂的截面为正方形时，驱动臂和敏感臂的长度根据系统的谐振频率间隔或工作带宽而定；当摆动质量块平行于驱动臂和敏感臂的截面为矩形截面时，驱动臂和敏感臂采取相同尺寸设计；

进一步，所述摆动质量块、外部框架结构、驱动臂I、驱动臂II、敏感臂I、敏感臂II采用微加工技术和同种材料制作；

进一步，所用材料包括合金、石英、多晶硅和二氧化硅。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

采用如上所述框架式振动角速率传感器的测量系统。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用驱动臂组和敏感臂组夹角90度的十字交叉方式且通过振动质量块连接；四悬臂梁的采用将摆动质量块的摆动转化为悬臂梁的弯曲振动和扭转振动，正交连接方式有效降低了传统单振梁振动面之间的轴间干扰，提高了测量角速度精度；

2.本发明驱动臂组和敏感臂组和外框架固连且外框架俯视为矩形体，此外框架固定了驱动臂和敏感臂的正交性，有效的限制了驱动臂和敏感臂之间的振动耦合干扰；

3.本发明采用矩形截面的长方体薄片驱动臂梁和敏感臂梁，有效的限制了摆动质量的摆动方向，使得质量块仅在两正交方向的摆动显著，消除了质量块在两正交方向上的耦合振动；

4.本发明驱动臂组、敏感臂组、质量块和外框架组成关于质量块俯视中心呈对称结构，同时驱动臂组和敏感臂组一端与外框架固定，另一端与质量块固连，其对称性结构有效的消除了对基体加速度的敏感度，提高了角速度测量精度；

5.本发明采用驱动臂组和敏感臂组通过振动质量块连接，有效提高了悬臂梁的振动稳定性，使振动系统的振动方式更稳定；

6.本发明驱动臂组和敏感臂组连接处采用的摆动质量块为长方体或正方体，使其在外界输入角速度时两侧面上产生对称的哥式力，为敏感臂的弯曲提供理想的振动驱动力；同时有效限制驱动臂和敏感臂振动形式为弯曲振动或扭转振动，且其敏感臂振动幅度和扭转幅度与外界输入角速率有关。

本发明系统整体通过外框架与外界封装体固定，有效的降低了外界封装对驱动臂、敏感臂及质量块所组成的振动系统的振动性能产生的影响。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1  采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器侧俯视结构图；

图2  采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器驱动臂工作状态图；

图3  采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器外界输入角速度图；

图4  采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器敏感臂工作状态图；

图5  采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器工作状态图；

图6  采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器装配图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器包括外部框架结构101、摆动质量块401、驱动臂I 201、驱动臂II 202，敏感臂I 301和敏感臂II 302，驱动臂I 201驱动臂II 202的尺寸相同，敏感臂I 301和敏感臂II 302的尺寸相同，均采用薄型片状结构；驱动臂I 201、驱动臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302的一端分别连接于摆动质量块401的四周，以摆动质量块为中心组成十字架结构，其中，驱动臂I 201与驱动臂II 202相对设置，敏感臂I 301与敏感臂II 302相对设置，共同构成振动系统；驱动臂I 201、驱动臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302的另一端分别连接于外部框架结构101的内框面，使整套振动系统悬空设置于外部框架结构101的内部；

本实施例中，外部框架结构101为方形框体，驱动臂I201、驱动臂II202、敏感臂I301和敏感臂II302连接于其分别对应的外部框架结构101上各边框体内侧面的中心位置，摆动质量块401为长方体结构，驱动臂I 201、驱动臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302为方形薄片结构，驱动臂I 201、驱动臂II 202、敏感臂I 301和敏感臂II 302与摆动质量块的固定位置位于其四周侧面的横向对称轴上。

本实施例中，本发明的两驱动臂设置为尺寸相同、矩形截面的薄片振梁，此有利于在合适的驱动激励下，驱动臂梁产生所需的振动形式；两敏感臂均为尺寸相同、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产生适合的弯曲振形，此弯曲振形被外部检测系统检测；驱动臂和敏感臂薄片厚度相同，且和质量块的固定中心位于质量块的同一截面上，此有利于降低驱动臂组和敏感臂组对质量块摆动性能的影响；本发明驱动臂和敏感臂薄片厚度相同，且一端固定于外框架内侧面的中心，此对称结构更利于驱动臂和敏感臂产生所需的振形，且也为质量块提供了振动空间。当然，驱动臂和敏感臂还可以采用圆柱形梁结构，或其他能够实现检测目的的梁结构。

本实施例中，由于摆动质量块401平行于驱动臂和敏感臂的截面为正方形，驱动臂和敏感臂的长度根据系统的谐振频率间隔而定。

作为进一步的改进，所述摆动质量块401、外部框架结构101、驱动臂I201、驱动臂II202、敏感臂I301、敏感臂II302采用微加工技术和同种材料制作，所用材料包括合金、石英、多晶硅和二氧化硅等。

本发明的工作原理如下：

结合附图2，结合相应的四个坐标系，在外界激励下，驱动臂处于基模谐振工作状态时，驱动臂I 201绕y1轴在x1轴向上，以角速度Ω1在弯曲振动，同时驱动臂II 202绕y3在x3轴向上以Ω3=Ω1的振动频率弯曲，而驱动臂的弯曲振动将带动摆动质量块 401在x1和x3轴向上做周期摆动；由于敏感臂和摆动质量块 401连接，在摆动的质量块带动下，敏感臂I 301将绕x2轴以频率为Ω2产生扭转振动，同时敏感臂II 302绕x4轴以频率Ω 4产生扭转振动。

结合附图3，摆动质量块的框架式振动角速率传感器100-5绕z方向存在外界输入旋转角速度Ω时，由于摆动质量块401在驱动臂弯曲振动下产生的摆动，此时将在质量块的x2和x4方向上产生哥式力，从而引起摆动质量块401在x2和x4方向上的摆动。

结合附图4，仅考虑哥式力作用下，敏感臂组的基模达到谐振。敏感臂I 301绕y2在x2轴向产生以频率为ω2的弯曲振动，同时敏感臂II 302绕y4在x4轴向产生以频率为ω4的弯曲振动；此外，通过质量块连接的驱动臂I 201绕x1产生以频率为ω1扭转振动，驱动臂II 202绕x1产生以频率为ω3扭转振动。在哥式力作用下敏感臂I、II发生谐振弯曲振动，同样一起驱动臂I、II产生扭转振动，而此弯曲的幅度及扭转幅度均与外界输入旋转角速度Ω有关，通过外界对弯曲幅度和扭转幅度的检测，从而达到对外界输入角速度Ω的检测，实现了角速率传感器对角速率的测量功能。

附图5给出了摆动质量块的框架式振动角速率传感器100-7的综合工作状态图，即在外界输入角速度为Ω时候，摆动质量块的框架式振动角速率传感器100-4、100-6的合成振动图。

本发明的装配过程如下：

如图6所示，采用摆动质量块的框架式振动角速率传感器装配结构（100-8），其中摆动质量块401设计成矩形截面或正方形截面的长方体或正方体，根据具体的系统要求的频率和频率间隔而定；摆动质量块401有利于悬臂梁（201、202、301、302）振动形态的稳定，且摆动质量块长度【L401】方向上处于自由状态。驱动臂I、II和敏感臂I、II和摆动质量块401相互固连；驱动臂的长度【L201/L202】，宽度【W201/W202】和厚度【H201/H202】尺寸分别相同，且厚度【H201/H202】尺寸远小于宽度【W201/W202】和长度【L201/L202】尺寸；其驱动臂I 201、驱动臂II 202的一端厚度【0.5×H201】和宽度【0.5×W301】的中心和质量块401长度方向上的中心【0.5×L401】相互固定连接；另一端厚度【0.5×H201】的中心和外部框架结构边框【101-1】的内侧中心位置【0.5×H101-1/0.5×L101-1】连接固定；其驱动臂II 202采取和驱动臂I 201一样的对称方式和摆动质量块401及外框架边【101-3】连接固定。敏感臂I、II的长度【L301/L302】，宽度【W301/W302】和厚度【H301/H302】尺寸分别相同，厚度【H301/H302】的尺寸远小于宽度【W301/W302】和长度【L301/L302】的尺寸；其敏感臂II的一端和厚度【0.5×H302】和宽度【0.5×W302】的中心和摆动质量块 401长度方向上的中心【0.5×L401】相互固定连接；另一端厚度【0.5×H302】的中心和外框架边框【101-2】的内侧中心位置【0.5×H101-2/0.5×L101-2】连接固定；其敏感臂I 301采取和敏感臂II 302一样的对称方式和摆动质量块 401及外框架【101-3】连接固定。在加工中驱动臂I 、II的厚度【H201/H202】和敏感臂的厚度【H301/H302】尺寸可采取相同，对称加工；驱动臂的宽【W201/W202】和敏感臂的宽度【W301/W302】，根据摆动质量块 401的宽度【W401】和厚度【H401】的尺寸而定。驱动臂和敏感臂的厚度中心处于【0.5×L401】的平面上，且其两臂组的夹角成90度，即垂直正交化安装。外边框【101-1、101-2、101-3、101-4】，其宽度【W101-1、W101-2、W101-3、W101-4】均相同，采用对称的结构；其厚度【H101-1、H101-2、H101-3、H101-4】均可采取相同的尺寸加工。外框架【101-1、101-2、101-3、101-4】外侧与外部封装体固定且外框架 101采用矩形体结构。此外，封装体在摆动质量块的长度【L401】的方向上，要提供摆动质量块所需求的摆动空间。

另外，该振动角速率传感器的应用领域广泛，采用本发明所述的框架式振动角速率传感器的测量系统也在本发明的保护范围之内。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。