专利名称：一种硅微机械陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及陀螺仪技术，尤其涉及一种硅微机械陀螺仪。
背景技术：
硅微机械陀螺仪根据有无驱动结构可以分为两种类型有驱动结构的硅微机械陀 螺仪和无驱动结构的硅微机械陀螺仪。有驱动结构的硅微机械陀螺仪适用于非旋转载体； 而无驱动结构的硅微机械陀螺仪利用旋转载体驱动，适用于旋转载体。目前大多数硅微机 械陀螺仪都属于有驱动结构的陀螺仪。有驱动结构的微机械陀螺，由自身驱动产生线性振动，线振动与载体旋转运动按 右手定则产生哥氏加速度，从而使敏感结构产生第二振动模式，此模式与第一振动模式相 互垂直，其振动幅度与载体旋转角速度成正比。因此，有自身驱动结构的微机械陀螺能敏感 来自垂直驱动轴的旋转角速度，若要检测载体三个互相垂直的轴向角速度，就需要三个此 种陀螺相互垂直安装。

发明内容
本公开要解决的一个技术问题是提供一种硅微机械陀螺仪，既能应用于非旋转载 体的姿态检测，又能用于测量旋转载体的姿态角速度。本公开的一个方面提供一种硅微机械陀螺仪，包括无驱动结构硅微机械陀螺； 与无驱动结构硅微机械陀螺耦合的驱动电机。根据本公开的一个方面，硅微机械陀螺仪还包括滑环；无驱动结构硅微机械陀螺 连接滑环；驱动电机和滑环通过连接件连接。根据本公开的一个方面，通过法兰安装盘将无驱动结构硅微机械陀螺固定到滑环 上。根据本公开的一个方面，连接件为弹性连接件。根据本公开的一个方面，连接件包括角接触球轴承和弹性膜片联轴器。根据本公开的一个方面，还包括通过所述滑环的输出端接收所述无驱动结构硅微 机械陀螺输出信号的信号处理电路。根据本公开的一个方面，还包括用于封闭无驱动结构硅微机械陀螺、滑环和驱动 电机的外壳。本公开提供的硅微机械陀螺仪，通过驱动电机提供自旋角速度，既可以应用于非 旋转载体的姿态检测，也能用于旋转载体的姿态检测，通过对该陀螺信号解调处理，可以同 时获得旋转载体三个轴向的角速度信息。


图1示出本发明的硅微机械陀螺仪的一个实施例的结构图；图加示出双列角接触球轴承示例；
图2b示出弹性膜片联轴器示例；图3示出多通道高速滑环示例；图4示出无驱动结构硅微机械陀螺的结构原理图；图5示出无驱动结构硅微机械陀螺信号检测电路原理图；图6示出本发明的硅微机械陀螺仪实际输出信号的例子；图7示出本发明的硅微机械陀螺仪实际输出信号各成份自旋的载波信号，以及 偏航、俯仰合成的包络信号。
具体实施例方式下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。无驱动结构的硅微机械陀螺是一种基于哥氏力效应的新型角速度陀螺，它自身没 有驱动结构，而是利用旋转载体的旋转作为驱动力矩，来敏感旋转载体的俯仰、偏航和自旋 角速度。无驱动结构的硅微机械陀螺只有在载体自旋和偏航(或俯仰)运动都存在的情况 下才有信号输出，无驱动结构的硅微机械陀螺不适合用于非旋转载体。此外，当载体自旋速 度较低时，无驱动结构硅微机械陀螺输出信号噪声较大，有效信号提取比较困难。本发明的基本构思是，为无驱动结构硅微机械陀螺加载驱动电机，通过驱动电机 为无驱动结构硅微机械陀螺提供自旋角速度，从而使其既可以应用于非旋转载体，也可以 应用于旋转载体，克服了现有技术中无驱动结构的硅微机械陀螺仪只能应用于旋转载体的 问题。本发明实施例的硅微机械陀螺仪可以输出俯仰、偏航、自旋角速度(按地理坐标)，或 者输出横向和自旋角速度(按极坐标)，用途广、成本低，适用于姿态测量或遥测等各个领 域。图1示出本发明的硅微机械陀螺仪的一个实施例的结构图。如图1所示，该实施 例的硅微机械陀螺仪包括无驱动结构硅微机械陀螺11、滑环12、驱动电机14。无驱动结构 硅微机械陀螺11连接到滑环12，驱动电机14和滑环12通过连接件13进行连接。例如，可 以通过安装盘16(如图1所示的法兰安装盘)将无驱动结构硅微机械陀螺11固定到滑环 12上，也可以通过其他的负载安装方式将无驱动结构硅微机械陀螺11固定到滑环12上。 图1中还示出外壳15，用于密封无驱动结构硅微机械陀螺、滑环和驱动电机。上述实施例的硅微机械陀螺仪，通过驱动电机提供自旋角速度，不仅可以应用于 非旋转载体的姿态检测，也可以克服无驱动结构的硅微机械陀螺在低转速情况下输出信号 噪声大的问题，使得低转速载体的姿态可测、并且加大了转速测量范围。此外，还保持了无 驱动结构的硅微机械陀螺仪具有的体积小，成本低，结构简单等优点。根据本发明的一个方面，通过弹性连接件将驱动电机14和滑环12连接在一起，采 用弹性连接件可以降低电机高速旋转带来的振动噪声。弹性连接件包括角接触球轴承和弹 性膜片联轴器，使得驱动电机和滑环之间的连接为弹性连接，可以达到较明显的减震效果。 角接触球轴承体积小，可以同时承受轴向和径向两个方向的联合载荷，减小了机械振动引 起的噪声。例如采用分离型角接触球轴承或双列角接触球轴承(如图加所示)。连接件中 使用的弹性膜片联轴器(如图2b所示)，采用优良的不锈钢片做为弹性材料，靠膜片的弹性 形变来补偿所联两轴的相对位移，可降低传动中的能量损失，这种弹性膜片联轴器不用润滑、传动精度高、可靠性高、寿命长、适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动。需 要指出，本领域的技术人员可以根据需要选用减震效果好的各种连接器件。根据本发明的一个方面，滑环可采用微型多通道精密导电滑环。图3示出多通道 高速滑环示例。例如，图中多通道精密导电滑环采用贵金属合金材料作为磨擦付，以保证良 好的导电性能和抗磨损性能。根据本发明的一个方面，驱动电机采用低电压、高转速的扁平电机。这种扁平电 机，具有低电压、高转速的特性，同时带有集成编码器，可以实现闭环控制和测量转速，实现 电机自旋角速度的测定和输出。下面对本发明采用的无驱动结构硅微机械陀螺进行介绍。图4示出无驱动结构硅微机械陀螺的结构原理图。无驱动结构硅微机械陀螺可利 用旋转载体自身角速度驱动，用于敏感旋转载体俯仰或偏航角速度。如图4所示，4个电极 和硅摆之间形成4个电容器，oxyz坐标系固体于陀螺的硅摆上， 是硅摆绕oy轴摆动的角 速度，於是载体的自旋角速度，Ω是载体的俯仰或偏航角速度。陀螺固定于旋转载体上，当 陀螺随着载体以0的角速度旋转的同时又以Ω角速度俯仰或偏航时，硅摆受到周期性变化 的哥氏力(哥氏力的频率是载体旋转的频率)作用，产生沿oy轴的摆动，从而引起由硅摆 和4个电极构成的4个电容器(C1, C2, C3, C4)电容量的变化。由动力学方程可得到角振动幅度
权利要求
1.一种硅微机械陀螺仪，其特征在于，包括 无驱动结构硅微机械陀螺；与所述无驱动结构硅微机械陀螺耦合的驱动电机。
2.根据权利要求1所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，还包括滑环； 所述无驱动结构硅微机械陀螺连接到所述滑环；所述驱动电机和所述滑环通过连接件连接。
3.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，通过安装盘将所述无驱动结 构硅微机械陀螺固定到所述滑环上。
4.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述连接件为弹性连接件。
5.根据权利要求4所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述连接件包括角接触球轴 承和弹性膜片联轴器。
6.根据权利要求1所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述驱动电机为低电压、高转 速电机和/或所述驱动电机为扁平电机。
7.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述滑环为微型多通道导电 滑环。
8.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，还包括通过所述滑环的输出端接收所述无驱动结构硅微机械陀螺的输出信号的信号处理电路。
9.根据权利要求8所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述信号处理电路通过对无 驱动结构硅微机械陀螺的输出信号，进行处理后，输出非旋转载体的俯仰、偏航角速度，或 者输出载体的横向角速度；或者，所述驱动电机能够输出自旋角速度，所述信号处理电路还接收所述驱动电机输出的自 旋角速度，根据所述无驱动结构硅微机械陀螺的输出信号和所述驱动电机输出的自旋角速 度输出载体的偏航、俯仰和自旋角速度，或者输出载体的横向角速度和自旋角速度。
10.根据权利要求2所述的硅微机械陀螺仪，其特征在于，还包括用于封闭所述无驱动 结构硅微机械陀螺、滑环和驱动电机的外壳。
全文摘要
本公开提供一种硅微机械陀螺仪，包括无驱动结构硅微机械陀螺，与无驱动结构硅微机械陀螺耦合的驱动电机。此外，还可以包括滑环；无驱动结构硅微机械陀螺连接到滑环；驱动电机和滑环通过连接件连接。本公开在无驱动结构陀螺上，通过加载电机驱动提供自旋角速度，产生陀螺效应，来敏感非旋转载体和旋转载体的各种姿态信息。通过选用微型扁平电机、微型滑环及角接触球轴承和弹性膜片联轴器等连接件与陀螺轴向连接，同时采取有效措施提高信噪比，降低了电机驱动带来的振动噪声对提取有效信号的影响。
文档编号G01C19/56GK102042830SQ201010517788
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者刘宇, 张伟, 张福学, 王丽坤, 王凌, 赵辉 申请人:北京信息科技大学