一種矽微機械陀螺儀的製作方法

2023-06-12 17:31:51 1

專利名稱：一種矽微機械陀螺儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及陀螺儀技術，尤其涉及一種矽微機械陀螺儀。
背景技術：
矽微機械陀螺儀根據有無驅動結構可以分為兩種類型有驅動結構的矽微機械陀 螺儀和無驅動結構的矽微機械陀螺儀。有驅動結構的矽微機械陀螺儀適用於非旋轉載體； 而無驅動結構的矽微機械陀螺儀利用旋轉載體驅動，適用於旋轉載體。目前大多數矽微機 械陀螺儀都屬於有驅動結構的陀螺儀。有驅動結構的微機械陀螺，由自身驅動產生線性振動，線振動與載體旋轉運動按 右手定則產生哥氏加速度，從而使敏感結構產生第二振動模式，此模式與第一振動模式相 互垂直，其振動幅度與載體旋轉角速度成正比。因此，有自身驅動結構的微機械陀螺能敏感 來自垂直驅動軸的旋轉角速度，若要檢測載體三個互相垂直的軸向角速度，就需要三個此 種陀螺相互垂直安裝。

發明內容
本公開要解決的一個技術問題是提供一種矽微機械陀螺儀，既能應用於非旋轉載 體的姿態檢測，又能用於測量旋轉載體的姿態角速度。本公開的一個方面提供一種矽微機械陀螺儀，包括無驅動結構矽微機械陀螺； 與無驅動結構矽微機械陀螺耦合的驅動電機。根據本公開的一個方面，矽微機械陀螺儀還包括滑環；無驅動結構矽微機械陀螺 連接滑環；驅動電機和滑環通過連接件連接。根據本公開的一個方面，通過法蘭安裝盤將無驅動結構矽微機械陀螺固定到滑環 上。根據本公開的一個方面，連接件為彈性連接件。根據本公開的一個方面，連接件包括角接觸球軸承和彈性膜片聯軸器。根據本公開的一個方面，還包括通過所述滑環的輸出端接收所述無驅動結構矽微 機械陀螺輸出信號的信號處理電路。根據本公開的一個方面，還包括用於封閉無驅動結構矽微機械陀螺、滑環和驅動 電機的外殼。本公開提供的矽微機械陀螺儀，通過驅動電機提供自旋角速度，既可以應用於非 旋轉載體的姿態檢測，也能用於旋轉載體的姿態檢測，通過對該陀螺信號解調處理，可以同 時獲得旋轉載體三個軸向的角速度信息。


圖1示出本發明的矽微機械陀螺儀的一個實施例的結構圖；圖加示出雙列角接觸球軸承示例；
圖2b示出彈性膜片聯軸器示例；圖3示出多通道高速滑環示例；圖4示出無驅動結構矽微機械陀螺的結構原理圖；圖5示出無驅動結構矽微機械陀螺信號檢測電路原理圖；圖6示出本發明的矽微機械陀螺儀實際輸出信號的例子；圖7示出本發明的矽微機械陀螺儀實際輸出信號各成份自旋的載波信號，以及 偏航、俯仰合成的包絡信號。
具體實施例方式下面參照附圖對本發明進行更全面的描述，其中說明本發明的示例性實施例。無驅動結構的矽微機械陀螺是一種基於哥氏力效應的新型角速度陀螺，它自身沒 有驅動結構，而是利用旋轉載體的旋轉作為驅動力矩，來敏感旋轉載體的俯仰、偏航和自旋 角速度。無驅動結構的矽微機械陀螺只有在載體自旋和偏航(或俯仰)運動都存在的情況 下才有信號輸出，無驅動結構的矽微機械陀螺不適合用於非旋轉載體。此外，當載體自旋速 度較低時，無驅動結構矽微機械陀螺輸出信號噪聲較大，有效信號提取比較困難。本發明的基本構思是，為無驅動結構矽微機械陀螺加載驅動電機，通過驅動電機 為無驅動結構矽微機械陀螺提供自旋角速度，從而使其既可以應用於非旋轉載體，也可以 應用於旋轉載體，克服了現有技術中無驅動結構的矽微機械陀螺儀只能應用於旋轉載體的 問題。本發明實施例的矽微機械陀螺儀可以輸出俯仰、偏航、自旋角速度(按地理坐標)，或 者輸出橫向和自旋角速度(按極坐標)，用途廣、成本低，適用於姿態測量或遙測等各個領 域。圖1示出本發明的矽微機械陀螺儀的一個實施例的結構圖。如圖1所示，該實施 例的矽微機械陀螺儀包括無驅動結構矽微機械陀螺11、滑環12、驅動電機14。無驅動結構 矽微機械陀螺11連接到滑環12，驅動電機14和滑環12通過連接件13進行連接。例如，可 以通過安裝盤16(如圖1所示的法蘭安裝盤)將無驅動結構矽微機械陀螺11固定到滑環 12上，也可以通過其他的負載安裝方式將無驅動結構矽微機械陀螺11固定到滑環12上。 圖1中還示出外殼15，用於密封無驅動結構矽微機械陀螺、滑環和驅動電機。上述實施例的矽微機械陀螺儀，通過驅動電機提供自旋角速度，不僅可以應用於 非旋轉載體的姿態檢測，也可以克服無驅動結構的矽微機械陀螺在低轉速情況下輸出信號 噪聲大的問題，使得低轉速載體的姿態可測、並且加大了轉速測量範圍。此外，還保持了無 驅動結構的矽微機械陀螺儀具有的體積小，成本低，結構簡單等優點。根據本發明的一個方面，通過彈性連接件將驅動電機14和滑環12連接在一起，採 用彈性連接件可以降低電機高速旋轉帶來的振動噪聲。彈性連接件包括角接觸球軸承和彈 性膜片聯軸器，使得驅動電機和滑環之間的連接為彈性連接，可以達到較明顯的減震效果。 角接觸球軸承體積小，可以同時承受軸向和徑向兩個方向的聯合載荷，減小了機械振動引 起的噪聲。例如採用分離型角接觸球軸承或雙列角接觸球軸承(如圖加所示)。連接件中 使用的彈性膜片聯軸器(如圖2b所示)，採用優良的不鏽鋼片做為彈性材料，靠膜片的彈性 形變來補償所聯兩軸的相對位移，可降低傳動中的能量損失，這種彈性膜片聯軸器不用潤滑、傳動精度高、可靠性高、壽命長、適用於高溫、高速、有腐蝕介質工況環境的軸系傳動。需 要指出，本領域的技術人員可以根據需要選用減震效果好的各種連接器件。根據本發明的一個方面，滑環可採用微型多通道精密導電滑環。圖3示出多通道 高速滑環示例。例如，圖中多通道精密導電滑環採用貴金屬合金材料作為磨擦付，以保證良 好的導電性能和抗磨損性能。根據本發明的一個方面，驅動電機採用低電壓、高轉速的扁平電機。這種扁平電 機，具有低電壓、高轉速的特性，同時帶有集成編碼器，可以實現閉環控制和測量轉速，實現 電機自旋角速度的測定和輸出。下面對本發明採用的無驅動結構矽微機械陀螺進行介紹。圖4示出無驅動結構矽微機械陀螺的結構原理圖。無驅動結構矽微機械陀螺可利 用旋轉載體自身角速度驅動，用於敏感旋轉載體俯仰或偏航角速度。如圖4所示，4個電極 和矽擺之間形成4個電容器，oxyz坐標系固體於陀螺的矽擺上， 是矽擺繞oy軸擺動的角 速度，於是載體的自旋角速度，Ω是載體的俯仰或偏航角速度。陀螺固定於旋轉載體上，當 陀螺隨著載體以0的角速度旋轉的同時又以Ω角速度俯仰或偏航時，矽擺受到周期性變化 的哥氏力(哥氏力的頻率是載體旋轉的頻率)作用，產生沿oy軸的擺動，從而引起由矽擺 和4個電極構成的4個電容器(C1, C2, C3, C4)電容量的變化。由動力學方程可得到角振動幅度
權利要求
1.一種矽微機械陀螺儀，其特徵在於，包括 無驅動結構矽微機械陀螺；與所述無驅動結構矽微機械陀螺耦合的驅動電機。
2.根據權利要求1所述的矽微機械陀螺儀，其特徵在於，還包括滑環； 所述無驅動結構矽微機械陀螺連接到所述滑環；所述驅動電機和所述滑環通過連接件連接。
3.根據權利要求2所述的矽微機械陀螺儀，其特徵在於，通過安裝盤將所述無驅動結 構矽微機械陀螺固定到所述滑環上。
4.根據權利要求2所述的矽微機械陀螺儀，其特徵在於，所述連接件為彈性連接件。
5.根據權利要求4所述的矽微機械陀螺儀，其特徵在於，所述連接件包括角接觸球軸 承和彈性膜片聯軸器。
6.根據權利要求1所述的矽微機械陀螺儀，其特徵在於，所述驅動電機為低電壓、高轉 速電機和/或所述驅動電機為扁平電機。
7.根據權利要求2所述的矽微機械陀螺儀，其特徵在於，所述滑環為微型多通道導電 滑環。
8.根據權利要求2所述的矽微機械陀螺儀，其特徵在於，還包括通過所述滑環的輸出端接收所述無驅動結構矽微機械陀螺的輸出信號的信號處理電路。
9.根據權利要求8所述的矽微機械陀螺儀，其特徵在於，所述信號處理電路通過對無 驅動結構矽微機械陀螺的輸出信號，進行處理後，輸出非旋轉載體的俯仰、偏航角速度，或 者輸出載體的橫向角速度；或者，所述驅動電機能夠輸出自旋角速度，所述信號處理電路還接收所述驅動電機輸出的自 旋角速度，根據所述無驅動結構矽微機械陀螺的輸出信號和所述驅動電機輸出的自旋角速 度輸出載體的偏航、俯仰和自旋角速度，或者輸出載體的橫向角速度和自旋角速度。
10.根據權利要求2所述的矽微機械陀螺儀，其特徵在於，還包括用於封閉所述無驅動 結構矽微機械陀螺、滑環和驅動電機的外殼。
全文摘要
本公開提供一種矽微機械陀螺儀，包括無驅動結構矽微機械陀螺，與無驅動結構矽微機械陀螺耦合的驅動電機。此外，還可以包括滑環；無驅動結構矽微機械陀螺連接到滑環；驅動電機和滑環通過連接件連接。本公開在無驅動結構陀螺上，通過加載電機驅動提供自旋角速度，產生陀螺效應，來敏感非旋轉載體和旋轉載體的各種姿態信息。通過選用微型扁平電機、微型滑環及角接觸球軸承和彈性膜片聯軸器等連接件與陀螺軸向連接，同時採取有效措施提高信噪比，降低了電機驅動帶來的振動噪聲對提取有效信號的影響。
文檔編號G01C19/56GK102042830SQ201010517788
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月15日 優先權日2010年10月15日
發明者劉宇, 張偉, 張福學, 王麗坤, 王凌, 趙輝 申請人:北京信息科技大學