一種四自由度微機械陀螺的製作方法

2023-10-19 17:56:07

專利名稱：一種四自由度微機械陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種多自由度微機械陀螺。
背景技術：
微機械陀螺的研究開始於上世紀80年代末，是一種新型的微小型慣性導航元器件。與傳統的機械陀螺和光學陀螺相比，其優點是體積小、重量輕、耗電量小、壽命長、成本低、易集成、可靠性高，能大量生產，是未來慣性導航技術領域的核心元器件之一。目前的微機械陀螺主要分為單自由度和多自由度兩大類單自由度微機械陀螺採用的是1-D0F驅動結構和1-D0F敏感結構，通過驅動模態和敏感模態的自然頻率匹配來實現驅動模態和敏感模態同時達到共振，從而提高陀螺的靈敏度；多自由度陀螺主要是將2-D0F結構(動態吸振器結構，DVA或完全的2-D0F振動結構)應用到微機械陀螺的驅動模態或敏感模態，通過2-D0F振動結構的頻率響應中兩個峰值之間的平坦區域來提高陀螺的3dB帶寬，從而提高微機械陀螺的穩定性。在多自由度微機械陀螺結構中，主要是將動態吸振器結構(DVA)或完全的2-D0F振動結構應用到結構設計中，一方面可以實現驅動模態和敏感模態的解耦效果，另一方面可以實現一定的系統帶寬。而在目前公開發表的多自由度微機械陀螺的結構中，多自由度主要體現在敏感模態單獨採用DVA結構或完全的2-D0F振動結構，或者是驅動模態單獨採用DVA結構。在這些陀螺結構中，採用DVA結構或完全的2-D0F振動結構的模態擁有較高的3dB帶寬，採用單自由度結構的模態的帶寬遠遠小於另一模態的帶寬，而陀螺的系統帶寬取決於驅動模態和敏感模態的匹配帶寬。採用閉環驅動來控制驅動模態的穩定振動會增加電路的複雜度，同時也會引入更多的電子噪聲，幹擾信號的採集與處理。

發明內容
本發明的目的在於提供一種具有較高的系統帶寬，穩定性好和抗幹擾能力強的四自由度微機械陀螺。本發明的目的是這樣實現的包括驅動質量塊2、驅動靜梳齒I、驅動動梳齒16、解耦框架3、檢測質量塊4、敏感質量塊5、敏感靜梳齒6和敏感動梳齒17構成；驅動靜梳齒I和驅動動梳齒16構成電容梳齒式驅動單元,所述驅動單元設置在驅動質量塊2上,驅動質量塊2和四個錨點17通過兩個工形梁IlO相連，驅動質量塊2和解耦框架3通過四個摺疊梁Ill相連，解耦框架3和四個錨點118通過兩個工形梁II12連接，構成驅動模態；檢測質量塊4和解耦框架3通過四個摺疊梁1113相連，檢測質量塊4和敏感質量塊5通過四個摺疊梁III14相連，敏感質量塊5和四個錨點III9通過兩個工形梁III15相連，敏感靜梳齒6和敏感動梳齒17構成電容梳齒式敏感單元,所述敏感單元設置在敏感質量塊5上，構成敏感模態；通過檢測敏感單元的電容變化來計算外部輸入的角速度。本發明的主要特點在於I、由驅動靜梳齒I、驅動動梳齒16、驅動質量塊2、解耦框架3構成的驅動模態和由敏感靜梳齒6、敏感動梳齒17、檢測質量塊4、敏感質量塊5構成的敏感單元均為完全的2-D0F振動結構，而驅動梳齒和敏感梳齒的數量根據驅動質量塊2和敏感質量塊5的質量來確定。2、驅動質量塊2通過兩個工形梁10與四個錨點7相連來限制其在驅動方向X振動，解耦框架3通過兩個工形梁12與四個錨點8相連來限制其在在驅動方向X振動；3、檢測質量塊4通過四個摺疊梁13與解耦框架3相連，連接驅動模態和敏感模 態，敏感質量塊5通過兩個工形梁15與四個錨點9相連來限制其在敏感方向y運動。本發明是一種四自由度微機械陀螺結構，由完全的2-D0F驅動模態和完全的
2-D0F敏感模態構成，敏感模態和驅動模態通過解耦框架3和檢測質量塊4連接在一起。


圖I是本發明的整體結構框架圖；圖2是本發明的簡化模型；圖3是本發明的驅動模態的頻率效應對比；圖4是本發明的敏感模態的頻率效應對比；圖5是本發明的開機啟動響應時間；圖6是本發明對脈衝幹擾信號的響應；圖7四自由度的參數表；圖8單自由度的參數表。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明作更詳細的描述結合圖I本發明的結構主要由驅動質量塊2，驅動靜梳齒I和動梳齒16，解耦框架3，檢測質量塊4，敏感質量塊5，敏感靜梳齒6和動梳齒17構成。驅動靜梳齒I和動梳齒16構成電容梳齒式驅動單元，並被設置在驅動質量塊2上，驅動質量塊2和四個錨點7通過兩個工形梁10相連，驅動質量塊2和解耦框架3通過四個摺疊梁11相連，解耦框架3和四個錨點8通過兩個工形梁12連接，從而構成驅動模態；檢測質量塊4和解耦框架3通過四個摺疊梁13相連，和敏感質量塊5通過四個摺疊梁14相連，敏感質量塊5和四個錨點9通過兩個工形梁15相連，敏感靜梳齒6和動梳齒17構成電容梳齒式敏感單元，並被設置在敏感質量塊5上，從而構成敏感模態。通過檢測敏感單元的電容變化來計算外部輸入的角速度。由驅動單元I和16、驅動質量塊2、解耦框架3構成的驅動模態和由敏感單元6和
17、檢測質量塊4、敏感質量塊5構成的敏感單元均為完全的2-D0F振動結構，而驅動梳齒和敏感梳齒的數量根據驅動質量塊2和敏感質量塊5的質量來確定；驅動質量塊2通過兩個工形梁10與四個錨點7相連來限制其在驅動方向X振動，解耦框架3通過兩個工形梁12與四個錨點8相連來限制其在在驅動方向X振動；檢測質量塊4通過四個摺疊梁13與解耦框架3相連，連接驅動模態和敏感模態，敏感質量塊5通過兩個工形梁15與四個錨點9相連來限制其在敏感方向y運動。從圖2可以看出，驅動模態由驅動質量塊2，解耦框架3，彈簧10、11、12構成，由於增加了錨點8，可以將彈簧12增加到驅動模態，從而使驅動模態構成完全的2-D0F振動結構，同時彈簧12採用工形梁結構可以限制解耦框架在驅動方向X運動。從圖2中的敏感機構可以看出，敏感模態由檢測質量塊4，敏感質量塊5，彈簧13、14、15構成，由於錨點9和敏感質量塊5以及連接彈簧14、15的增加，從而使敏感模態構成完全的2-D0F振動結構，同時彈簧15採用工形梁的結構可以限制敏感質量塊5在敏感方向y運動。解耦框架3和檢測質量塊4連接驅動模態和敏感模態，同時起到解耦驅動模態和敏感模態的作用。工作方式通過電容梳齒驅動單元I和16對驅動質量塊2施加正弦驅動力，使驅動模態產生簡諧振動，從而使解耦框架3和檢測質量塊4在驅動方向X做簡諧振動；當有沿z軸的外部角速度Qz輸入時，由於哥式效應，產生沿敏感方向y的哥氏力並作用在檢測質量塊4上，從而驅動檢測質量塊4和敏感質量塊5沿敏感方向y做簡諧運動，通過設置在敏感質量塊5上的靜梳齒6和動梳齒17來檢測電容的變化，最終計算出沿z軸輸入的外部角速度Qz。理論依據根據4-D0F微機械陀螺的簡化模型，可以列出陀螺的動態方程如下
權利要求
1.一種四自由度微機械陀螺，其特徵是包括驅動質量塊(2)、驅動靜梳齒(I)、驅動動梳齒(16)、解耦框架(3)、檢測質量塊(4)、敏感質量塊(5)、敏感靜梳齒(6)和敏感動梳齒(17)構成；驅動靜梳齒(I)和驅動動梳齒(16)構成電容梳齒式驅動單元，所述驅動單元設置在驅動質量塊⑵上，驅動質量塊⑵和四個錨點1(7)通過兩個工形梁I(IO)相連，驅動質量塊(2)和解耦框架(3)通過四個摺疊梁I (11)相連，解耦框架(3)和四個錨點II (8)通過兩個工形梁11(12)連接，構成驅動模態；檢測質量塊(4)和解耦框架(3)通過四個摺疊梁11(13)相連，檢測質量塊⑷和敏感質量塊(5)通過四個摺疊梁111(14)相連，敏感質量塊(5)和四個錨點111(9)通過兩個工形梁111(15)相連，敏感靜梳齒(6)和敏感動梳齒(17)構成電容梳齒式敏感單元，所述敏感單元設置在敏感質量塊(5)上，構成敏感模態；通過檢測敏感單元的電容變化來計算外部輸入的角速度。
全文摘要
本發明提供的是一種四自由度微機械陀螺。由驅動靜梳齒、驅動動梳齒、驅動質量塊、解耦框架構成的驅動模態和由敏感靜梳齒、敏感動梳齒、檢測質量塊、敏感質量塊構成的敏感單元均為完全的2-DOF振動結構。驅動質量塊通過兩個工形梁與四個錨點相連來限制其在驅動方向x振動，解耦框架通過兩個工形梁與四個錨點相連來限制其在在驅動方向x振動。檢測質量塊通過四個摺疊梁與解耦框架相連，連接驅動模態和敏感模態，敏感質量塊通過兩個工形梁與四個錨點相連來限制其在敏感方向y運動。本發明利用完全的2-DOF振動結構擁有較高的3dB帶寬來同時提高驅動模態和敏感模態的3dB帶寬，從而得到較高的系統帶寬，提升陀螺的穩定性和抗幹擾能力。
文檔編號G01C19/567GK102645211SQ201210124320
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月25日 優先權日2012年4月25日
發明者劉曉隆, 呂曉永, 宋鴻儒, 朱瑋, 李強, 李欣, 楊博, 王偉, 王鹹鵬, 範嶽 申請人:哈爾濱工程大學