CN101339029B - 具有“回”型柱状体振子磁致伸缩压电陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微机电技术领域的具有“回”型柱状体振子磁致伸缩压电陀螺仪，由磁致伸缩振子和驱动电极，输出电极，模态检测电极组成。振子材料为压电材料，为具有正方形通孔的“回”型柱状体。所有电极关于磁致伸缩振子对称分布。利用磁致伸缩振子在一定频率下的特殊模态下的振动作为工作状态，在两个方向上均有磁致伸缩振子的上下表面的特殊位置在运动方向相反。当外界有角速度时，运动方向相反的位置产生方向相反柯氏力，使磁致伸缩振子拉伸或压缩，产生电势，通过检测输出电极上的电势检测外界双轴的角速度。本发明结构简单，抗冲击性强，不需要真空封装，具有方便固定的节点，双轴检敏感，加工工艺简单，不需要高速转动节省功耗。

Description

具有“回”型柱状体振子磁致伸缩压电陀螺仪

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种具有“回”型柱状体振子磁致伸缩压电陀螺仪。

背景技术

陀螺是姿态控制和惯性制导的核心器件，惯性技术的发展以及卫星、导弹等制导需求的提高、要求陀螺向功率小、寿命长、体积小、能适应各种恶劣环境的方向发展。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“压电陀螺元件和压电陀螺仪”(专利申请号为：200510131905.3)提到可以通过压电材料的棱柱状振动体的结构，来检测2轴方向上的角速度。截面为矩形的棱柱状的压电振动体一端固定，在其第1侧面上形成第1驱动电极，在第2侧面上形成在宽度方向上分离的第2～第4驱动电极，带相位差地向各驱动电极施加驱动电流，使压电振动体振动，其另一端做圆周运动。在与其振动的旋转中心轴正交的方向上作用有扭矩时，从压电振动体的第1侧面上形成的第1检测电极和第2侧面上形成的第2检测电极输出由此产生的压电振动体的挠度，从而检测2轴方向上的角速度。

此技术存在如下不足：首先，驱动电路要求多次移相，有些驱动电路还包括振幅检测电路、AGC电路、对控制要求高，且电路复杂，干扰大，噪声多、难以得到理想的的驱动信号。其次，通过向四个不同的电极上施加相位不同的四相驱动信号来使压电体自身产生圆周运动作为参考运动，规则的圆周运动难以得到准确的实现，增大了角速度检测的误差。要保证压电体转动得到高速圆周运动，功耗大。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足，提供一种具有“回”型柱状体振子磁致伸缩压电陀螺仪。本发明结构上采用带有正方形通孔的“回”型柱状体磁致伸缩振子，在振子上下表面压电薄膜分别制备一层压电薄膜。利用磁致伸缩振子特有的模态下的特殊振动方式，实现陀螺双轴敏感。用这种特殊模态下的振动作为工作状态，工作时不需要精确的高速圆周转动，且易准确实现。本发明结构简单，不用真空封装，抗冲击性强，且加工工艺易实现，在恶劣环境下能很好地工作。磁致伸缩驱动，压电检测，干扰信号小，驱动简单便捷，且功耗微。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括磁致伸缩振子、上表面压电薄膜、下表面压电薄膜、左下侧驱动线圈、右上侧驱动线圈、上表面压电薄膜上侧输出电极、上表面压电薄膜右侧输出电极、上表面压电薄膜下侧输出电极、上表面压电薄膜左侧输出电极、下表面压电薄膜上侧输出电极、下表面压电薄膜右侧输出电极、下表面压电薄膜下侧输出电极、下表面压电薄膜左侧输出电极。

磁致伸缩振子为具有正方形通孔的“回”型柱状体，即在一个具有正方形表面的长方体的正方形表面上设置一个正方形的通孔而构成的结构。磁致伸缩振子具有两个“回”型表面，这两个“回”型表面相互平行，其中一个“回”型表面为磁致伸缩振子的上表面，简称上表面；则另一个“回”型表面为磁致伸缩振子的下表面，简称下表面。上表面压电薄膜位于磁致伸缩振子上表面上，下表面压电薄膜位于磁致伸缩振子下表面上。上表面压电薄膜、下表面压电薄膜具有与磁致伸缩振子相同的“回”型表面。

上表面压电薄膜自由的回型表面(即没有与磁致伸缩振子接触的回型表面)为上表面压电薄膜上表面，上表面压电薄膜与磁致伸缩振子接触的回型表面为上表面压电薄膜下表面；下表面压电薄膜自由回型表面(即没有与磁致伸缩振子接触的回型表面)为下表面压电薄膜下表面，下表面压电薄膜与磁致伸缩振子接触的回型表面为下表面压电薄膜上表面；上表面压电薄膜上表面外框正方形(“回”型表面的外边界组成的正方形)上侧的边为上表面压电薄膜第一边、上表面压电薄膜上表面外框正方形右侧的边为上表面压电薄膜第二边、上表面压电薄膜上表面外框正方形下侧的边为上表面压电薄膜第三边、上表面压电薄膜上表面外框正方形左侧的边为上表面压电薄膜第四边、下表面压电薄膜下表面外框正方形上侧的边为下表面压电薄膜第一边、下表面压电薄膜下表面外框正方形右侧的边为下表面压电薄膜第二边、下表面压电薄膜下表面外框正方形下侧的边为下表面压电薄膜第三边、下表面压电薄膜下表面外框正方形左侧的边为下表面压电薄膜第四边。上表面压电薄膜第一边与下表面压电薄膜第一边平行，上表面压电薄膜第一边与下表面压电薄膜第一边位于磁致伸缩振子、上表面压电薄膜和下表面压电薄膜构成的结构的同一表面上，上表面压电薄膜第一边的中点与上表面压电薄膜第三边的中点的连线为上表面压电薄膜第一中心线、上表面压电薄膜第二边的中点与上表面压电薄膜第四边的中点的连线为上表面压电薄膜第二中心线、下表面压电薄膜第一边的中点与下表面压电薄膜第三边的中点的连线为下表面压电薄膜第一中心线、下表面压电薄膜第二边的中点与下表面压电薄膜第四边的中点的连线为下表面压电薄膜第二中心线。

其中上表面压电薄膜和下表面压电薄膜位于磁致伸缩振子的两个“回”形表面上、左下侧驱动线圈与右上侧驱动线圈位于上表面压电薄膜上表面外框正方形的一条斜对角线上，上表面压电薄膜上侧输出电极与上表面压电薄膜下侧输出电极关于上表面压电薄膜第二中心线对称分布、位于上表面压电薄膜第一中心线上，上表面压电薄膜右侧输出电极、上表面压电薄膜左侧输出电极关于上表面压电薄膜第一中心线对称分布、位于上表面压电薄膜第二中心线上，下表面压电薄膜上侧输出电极与下表面压电薄膜下侧输出电极关于下表面压电薄膜第二中心线对称分布、位于下表面压电薄膜第一中心线上，下表面压电薄膜右侧输出电极与下表面压电薄膜左侧输出电极关于下表面压电薄膜第一中心线对称分布、位于下表面压电薄膜第二中心线上。上表面压电薄膜上侧输出电极与下表面压电薄膜上侧输出电极的连线、上表面压电薄膜右侧输出电极与下表面压电薄膜右侧输出电极的连线、上表面压电薄膜下侧输出电极与下表面压电薄膜下侧输出电极的连线、上表面压电薄膜左侧输出电极与下表面压电薄膜左侧输出电极的连线均与磁致伸缩振子的上下表面压电薄膜垂直。

磁致伸缩振子中一条与Z轴平行的边为磁致伸缩振子第一边，顺时针方向下一条与Z轴平行的边为磁致伸缩振子第二边，依次为磁致伸缩振子第三边，磁致伸缩振子第四边。经有限元分析，发现在工作振动模态下有四个点振动位移很小。因此本发明陀螺仪选用这四个点作为节点(节点即固定点)，其位置分别为压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第一边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第二边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第三边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第四边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点。

本发明利用磁致伸缩体的在特殊模态下的振动作为参考振动，利用压电效应得到输出信号进行检测外界的角速度。驱动线圈以通入一定频率的交变电流激励处于一定的模态。当磁致伸缩振子在上表面压电薄膜上侧输出电极所在位置的振动方向为Y轴负方向，而在下表面压电薄膜上侧输出电极所在的位置振动方向为Y轴正方向。当外加受到水平X方向的角速度时，所受到的柯氏力的方向相反。使得磁致伸缩振子Z轴方向产生拉伸或压缩。最终使得上表面压电薄膜与下表面压电薄膜产生弯曲，将磁致伸缩振子接地，使得上侧输出电极与下表面压电薄膜上侧输出电极均有一定的电势，电势的大小与外界角速度的大小成正比。因此可以通过上表面压电薄膜上侧输出电极与下表面压电薄膜上侧输出电极的电势来检测X方向的角速度，进而上表面压电薄膜下侧输出电极与下表面压电薄膜下侧输出电极的电势也是此方向外界角速度的检测信号。上表面压电薄膜右侧输出电极与上表面压电薄膜上侧输出电极的运动方向垂直，同理将上表面压电薄膜右侧输出电极的电势与下表面压电薄膜右侧输出电极的电势，以及上表面压电薄膜左侧输出电极的电势和下表面压电薄膜左侧输出电极的电势作为Y方向角速度的检测信号。

本发明微陀螺采用块状磁致伸缩振子，结构简单，抗冲击性强，具有便于固定的节点，且加工工艺易实现，在恶劣环境下能很好地工作，抗冲击性很强，不用真空封装。本发明利用特殊模态下的特殊振动作为工作状态，高压电系数的压电薄膜的正压电效应产生的电压信号作为检测信号，能够准确地检测外界双轴方向的角速度。本发明可以应用在卫星、武器、民用导航等领域。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例由磁致伸缩振子1、上表面压电薄膜2、下表面压电薄膜3、左下侧驱动线圈4、右上侧驱动线圈5、上表面压电薄膜上侧输出电极6、上表面压电薄膜右侧输出电极7、上表面压电薄膜下侧输出电极8、上表面压电薄膜左侧输出电极9、下表面压电薄膜上侧输出电极10、下表面压电薄膜右侧输出电极11、下表面压电薄膜下侧输出电极12、下表面压电薄膜左侧输出电极13。

磁致伸缩振子1为“回”型柱状体结构，“回”型的内框与外框均构成正方形相，相当于在一个具有正方形表面的长方体的正方形表面上挖一个正方形的通孔，材料为导电的磁致伸缩材料。上表面压电薄膜2、下表面压电薄膜3分别位于磁致伸缩振子1的上表面、下表面上，且具有与磁致伸缩振子1的上表面、下表面相同的正方形表面。

上表面压电薄膜2与磁致伸缩振子接1触的回型表面为上表面压电薄膜2下表面，则上表面压电薄膜2另一回型表面，即自由的回型表面为上表面压电薄膜2上表面，下表面压电薄膜3与磁致伸缩振子接触的回型表面为下表面压电薄膜3上表面，则下表面压电薄膜3另一回型表面，即自由的回型表面为下表面压电薄膜3下表面。

上表面压电薄膜上表面外框正方形(“回”型表面的外边界形成的正方形)上侧的边为上表面压电薄膜第一边、上表面压电薄膜上表面外框正方形右侧的边为上表面压电薄膜第二边、上表面压电薄膜上表面外框正方形下侧的边为上表面压电薄膜第三边、上表面压电薄膜上表面外框正方形左侧的边为上表面压电薄膜第四边、下表面压电薄膜下表面外框正方形上侧的边为下表面压电薄膜第一边、下表面压电薄膜下表面外框正方形右侧的边为下表面压电薄膜第二边、下表面压电薄膜下表面外框正方形下侧的边为下表面压电薄膜第三边、下表面压电薄膜下表面外框正方形左侧的边为下表面压电薄膜第四边。上表面压电薄膜第一边的中点与上表面压电薄膜第三边的中点的连线为上表面压电薄膜第一中心线、上表面压电薄膜第二边的中点与上表面压电薄膜第四边的中点的连线为上表面压电薄膜第二中心线、下表面压电薄膜第一边的中点与下表面压电薄膜第三边的中点的连线为下表面压电薄膜第一中心线、下表面压电薄膜第二边的中点与下表面压电薄膜第四边的中点的连线为下表面压电薄膜第二中心线。

位置分布：上表面压电薄膜2和下表面压电薄膜3位于磁致伸缩振子1的两个“回”形表面上、左下侧驱动线圈4与右上侧驱动线圈5位于上表面压电薄膜上表面外框正方形的一条斜对角线上。上表面压电薄膜上侧输出电极6与上表面压电薄膜下侧输出电极8关于上表面压电薄膜第二中心线对称分布、位于上表面压电薄膜第一中心线上，且靠近上表面压电薄膜的外边缘；上表面压电薄膜右侧输出电极7、上表面压电薄膜左侧输出电极9关于上表面压电薄膜第一中心线对称分布、位于上表面压电薄膜第二中心线上，且靠近上表面压电薄膜的外边缘；下表面压电薄膜上侧输出电极10与下表面压电薄膜下侧输出电极12关于下表面压电薄膜第二中心线对称分布、位于下表面压电薄膜第一中心线上，且靠近下表面压电薄膜的外边缘；下表面压电薄膜右侧输出电极11与下表面压电薄膜左侧输出电极13关于下表面压电薄膜第一中心线对称分布、位于下表面压电薄膜第二中心线上，且靠近下表面压电薄膜的外边缘。上表面压电薄膜上侧输出电极6与下表面压电薄膜上侧输出电极10的连线、上表面压电薄膜右侧输出电极7与下表面压电薄膜右侧输出电极11的连线、上表面压电薄膜下侧输出电极8与下表面压电薄膜下侧输出电极12的连线、上表面压电薄膜左侧输出电极9与下表面压电薄膜左侧输出电极13的连线均与磁致伸缩振子的上下表面压电薄膜垂直。

磁致伸缩振子中一条与Z轴平行的边为磁致伸缩振子第一边，顺时针方向下一条与Z轴平行的边为磁致伸缩振子第二边，依次为磁致伸缩振子第三边，磁致伸缩振子第四边。经有限元分析，发现在工作振动模态下有四个点振动位移很小。因此本实施例陀螺仪选用这四个点作为节点(节点即固定点)，其位置分别为压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第一边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第二边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第三边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第四边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点。

加工工艺：对块状导电磁致伸缩材料进行切割，研磨便得到磁致伸缩振子。然后以磁致伸缩振子作为基体，采用微细加工工艺制备压电薄膜，驱动线圈以及电极。

本实施例利用磁致伸缩体的在特殊模态下的振动作为参考振动，利用压电效应得到输出信号进行检测外界的角速度。X轴为上表面压电薄膜右侧输出电极7和上表面压电薄膜左侧输出电极9中心连线，Y轴上表面压电薄膜下侧输出电极8和上表面压电薄膜上侧输出电极6中心连线，X轴、Y轴、Z轴符合右手定则。当左下侧驱动线圈4以及右上侧驱动线圈5通入一定频率的交变电流激励时(处于一定的模态)，磁致伸缩振子会产生特定模态振动，其中磁致伸缩振子在上表面压电薄膜上侧输出电极6所在位置的振动方向为Y轴负方向，而在下表面压电薄膜上侧输出电极10所在的位置振动方向为Y轴正方向。由于两个位置的振动方向相反，当外加受到水平X方向(即图中左右方向)的角速度时，所受到的柯氏力的方向相反。使得磁致伸缩振子在上表面压电薄膜上侧输出电极6与下表面压电薄膜上侧输出电极10所在位置的磁致伸缩振子的Z轴方向产生拉伸或压缩。最终使得上表面压电薄膜与下表面压电薄膜产生弯曲，将磁致伸缩振子接地，使得上侧输出电极6与下表面压电薄膜上侧输出电极10均有一定的电势，且两者相等。由于柯氏力的大小与外界角速度大小成正比，外界角速度引起的电势的大小与柯氏力成正比，可知角速度引起的电势的大小与外界角速度的大小成正比。因此可以通过上表面压电薄膜上侧输出电极6与下表面压电薄膜上侧输出电极10的电势来检测X方向的角速度，进而上表面压电薄膜下侧输出电极8与下表面压电薄膜下侧输出电极12的电势也与外界角速度的大小成正比。上表面压电薄膜上侧输出电极6、下表面压电薄膜上侧输出电极10的电势与上表面压电薄膜下侧输出电极8、下表面压电薄膜下侧输出电极12的电势正负相反，为了使输出信号更大，陀螺的精度更高，最终将上表面压电薄膜上侧输出电极6的电势与下表面压电薄膜上侧输出电极10的电势相加，再减去上表面压电薄膜下侧输出电极8的电势和下表面压电薄膜下侧输出电极12的电势作为X方向上的角速度的检测信号。上表面压电薄膜右侧输出电极7与上表面压电薄膜上侧输出电极6的运动方向垂直，同理将上表面压电薄膜右侧输出电极7的电势与下表面压电薄膜右侧输出电极11的电势相加，再减去上表面压电薄膜左侧输出电极9的电势和下表面压电薄膜左侧输出电极13的电势作为Y方向角速度的检测信号。

Claims (4)

1.一种具有“回”型柱状体振子磁致伸缩压电陀螺仪，包括磁致伸缩振子、上表面压电薄膜、下表面压电薄膜、左下侧驱动线圈、右上侧驱动线圈、上表面压电薄膜上侧输出电极、上表面压电薄膜右侧输出电极、上表面压电薄膜下侧输出电极、上表面压电薄膜左侧输出电极、下表面压电薄膜上侧输出电极、下表面压电薄膜右侧输出电极、下表面压电薄膜下侧输出电极、下表面压电薄膜左侧输出电极，其特征在于，所述磁致伸缩振子为具有正方形通孔的“回”型柱状体，具有两个“回”型表面，这两个“回”型表面相互平行，其中一个“回”型表面为磁致伸缩振子的上表面，则另一个“回”型表面为磁致伸缩振子的下表面，上表面压电薄膜、下表面压电薄膜分别位于磁致伸缩振子上表面、下表面上，上表面压电薄膜、下表面压电薄膜具有与磁致伸缩振子相同的“回”型表面；

上表面压电薄膜与磁致伸缩振子接触的回型表面为上表面压电薄膜下表面，则上表面压电薄膜另一回型表面为上表面压电薄膜上表面，下表面压电薄膜与磁致伸缩振子接触的回型表面为下表面压电薄膜上表面，则下表面压电薄膜另一回型表面为下表面压电薄膜下表面，上表面压电薄膜上表面外框正方形上侧的边为上表面压电薄膜第一边，上表面压电薄膜上表面外框正方形右侧的边为上表面压电薄膜第二边，上表面压电薄膜上表面外框正方形下侧的边为上表面压电薄膜第三边，上表面压电薄膜上表面外框正方形左侧的边为上表面压电薄膜第四边，下表面压电薄膜下表面外框正方形上侧的边为下表面压电薄膜第一边，下表面压电薄膜下表面外框正方形右侧的边为下表面压电薄膜第二边，下表面压电薄膜下表面外框正方形下侧的边为下表面压电薄膜第三边，下表面压电薄膜下表面外框正方形左侧的边为下表面压电薄膜第四边；上表面压电薄膜第一边的中点与上表面压电薄膜第三边的中点的连线为上表面压电薄膜第一中心线，上表面压电薄膜第二边的中点与上表面压电薄膜第四边的中点的连线为上表面压电薄膜第二中心线，下表面压电薄膜第一边的中点与下表面压电薄膜第三边的中点的连线为下表面压电薄膜第一中心线，下表面压电薄膜第二边的中点与下表面压电薄膜第四边的中点的连线为下表面压电薄膜第二中心线；

所述左下侧驱动线圈与右上侧驱动线圈位于上表面压电薄膜上表面外框正方形的一条斜对角线上，上表面压电薄膜上侧输出电极与上表面压电薄膜下侧输出电极关于上表面压电薄膜第二中心线对称分布、位于上表面压电薄膜第一中心线上，上表面压电薄膜右侧输出电极、上表面压电薄膜左侧输出电极关于上表面压电薄膜第一中心线对称分布、位于上表面压电薄膜第二中心线上，下表面压电薄膜上侧输出电极与下表面压电薄膜下侧输出电极关于下表面压电薄膜第二中心线对称分布、位于下表面压电薄膜第一中心线上，下表面压电薄膜右侧输出电极与下表面压电薄膜左侧输出电极关于下表面压电薄膜第一中心线对称分布、位于下表面压电薄膜第二中心线上；

所述上表面压电薄膜上侧输出电极与下表面压电薄膜上侧输出电极的连线、上表面压电薄膜右侧输出电极与下表面压电薄膜右侧输出电极的连线、上表面压电薄膜下侧输出电极与下表面压电薄膜下侧输出电极的连线、上表面压电薄膜左侧输出电极与下表面压电薄膜左侧输出电极的连线均与磁致伸缩振子的上下表面压电薄膜垂直。

2.根据权利要求1所述的具有“回”型柱状体振子磁致伸缩压电陀螺仪，其特征是，所述陀螺仪有四个节点，其位置分别为磁致伸缩振子第一边中点与磁致伸缩振子第二边中点连线上距磁致伸缩振子第一边中点距离为磁致伸缩振子上表面正方形边长的1/4点、磁致伸缩振子第一边中点与磁致伸缩振子第二边中点连线上距磁致伸缩振子第二边中点距离为磁致伸缩振子上表面正方形边长的1/4点、磁致伸缩振子第三边中点与磁致伸缩振子第四边中点连线上距磁致伸缩振子第三边中点距离为磁致伸缩振子上表面正方形边长的1/4点、磁致伸缩振子第三边中点与磁致伸缩振子第四边中点连线上距磁致伸缩振子第四边中点距离为磁致伸缩振子上表面正方形边长的1/4点，其中磁致伸缩振子中一条与Z轴平行的边为磁致伸缩振子第一边，顺时针方向下一条与Z轴平行的边为磁致伸缩振子第二边，依次为磁致伸缩振子第三边，磁致伸缩振子第四边；

所述的Z轴与X轴和Y轴符合右手定则，其中：X轴为上表面压电薄膜右侧输出电极和上表面压电薄膜左侧输出电极中心连线，Y轴上表面压电薄膜下侧输出电极和上表面压电薄膜上侧输出电极中心连线。

3.根据权利要求1或2所述的具有“回”型柱状体振子磁致伸缩压电陀螺仪，其特征是，所述磁致伸缩振子，其材料为磁致伸缩材料。

4.根据权利要求1所述的具有“回”型柱状体振子磁致伸缩压电陀螺仪，其特征是，所述上表面压电薄膜第一边与下表面压电薄膜第一边平行，上表面压电薄膜第一边与下表面压电薄膜第一边位于磁致伸缩振子、上表面压电薄膜和下表面压电薄膜构成的结构的同一表面上。

Images