CN102353369B - 组合式石英杯形波动陀螺谐振子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式石英杯形波动陀螺谐振子，包括杯壁和杯底，所述杯壁和杯底为不同材料制成且通过装配连接，所述杯底上贴附有用于激励或检测的两个以上压电电极片。本发明具有结构简单紧凑、易于加工、能够保证加工精度且灵敏度较高等优点。

Description

组合式石英杯形波动陀螺谐振子

技术领域

本发明主要涉及到固体波动陀螺领域，尤其涉及一种组合式石英杯形波动陀螺谐振子。

背景技术

杯形波动陀螺是利用哥氏效应工作的振动惯性器件，因其能耗小、成本低、可靠性高和寿命长等优点而极具发展潜力。杯形波动陀螺的工作原理是基于其谐振子绕中心轴旋转时产生哥氏效应，使谐振子相对原驻波振动出现一附加的驻波振动。

杯形波动陀螺的精度与灵敏度与其谐振子的材质、制造精度密切相关，一般要求谐振子有高的品质因数即有高的Q值。但是，目前大多使用谐振子均是由单种金属材料制备的整体件，这种谐振子的缺陷就在于：1、这种整体为金属材料的谐振子Q值并不高；2、现有技术中存在比较适合谐振子的石英材料，这种石英材料有高的Q值（一般高于2.4×10⁶），但却难于加工成理想的杯形，加工难度大，加工精度低，最终影响到杯形波动陀螺的精度与灵敏度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、易于加工、能够保证加工精度且灵敏度较高的组合式石英杯形波动陀螺谐振子。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种组合式石英杯形波动陀螺谐振子，包括杯壁和杯底，其特征在于:所述杯壁和杯底为不同材料制成且通过装配连接，所述杯底上贴附有用于激励或检测的两个以上压电电极片。

作为本发明的进一步改进：

所述杯壁为石英材料。

所述两个以上压电电极片沿杯底的外圆周方向均匀分布。

所述杯底上设有用来对压电电极片布置位置进行定位的定位装置。

所述定位装置为沿杯底外圆周方向均匀分布的两个以上圆孔，所述压电电极片贴附在各相邻圆孔之间。

所述压电电极片为长条状且沿着杯底底面的径向方向呈射线状布置。

所述压电电极片为8个。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的谐振子结构简单紧凑，易于保证加工精度，既充分利用了石英高的品质因数，又克服了石英难于加工成所需形状的不足；且谐振子的杯壁与杯底相分离，可以根据二者不同的作用选择最优的材料和相应的加工方式，从而有效地降低了加工难度，提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明的立体组装结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的工作原理示意图；

图4为本发明工作时的第一模态示意图；

图5为本发明工作时的第二模态示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的组合式石英杯形波动陀螺谐振子，包括杯壁2、杯底1和贴附在杯底1的压电电极片3，杯壁2和杯底1为不同材料制成且通过装配连接，例如，通过连接件装配，或采用其他的固接方式。杯底1上贴附有用于激励或检测的两个以上压电电极片3，即压电电极片3一部分用于激励谐振子在第一模态下振动，另一部分用于检测谐振子因角速度而产生的第二模态振动。本发明将杯壁2、杯底1采用不同材料制作且采用分体、装配式设计，能令加工更加简单，提高加工精度，进而提高整体的灵敏度等性能。

进一步，本实施例中，杯壁2为石英材料制成的圆筒形谐振环，杯底1为金属材料制成的底座。采用石英晶体作谐振器信号质量好，比较稳定，且石英的机械品质因数大（一般高于2.4×10⁶），得到组合式谐振子Q值也就很高，目前实验基本在10000以上，而采用单一金属加工成的谐振子则没有这种效果。此外，如果整个杯形谐振子都采用石英加工的话，则加工非常困难，成品率很低，造价高，且精度达不到要求。整个谐振子主要的工作部位是谐振环，而石英加工成圆筒状则容易得多，因此谐振环部分采用石英材料，底座采用金属材料。金属底座的加工相对于整个金属谐振子的加工要简易。将两部分用高性能粘合胶粘合，经过一系列相应的修形措施即可将组合式杯形谐振子投入使用。

进一步，在本实施例中，参见图2，八个压电电极片3沿杯底1的外圆周方向均匀分布，该压电电极片3为长条状且沿着杯底1底面的径向方向呈射线状布置。这种将压电电极片3分八个方位均匀布置在杯底的布置方式，主要有以下技术优点：如果将激励和检测的压电电极片3布置在石英谐振环上，则会导致相邻压电电极片3之间的耦合，谐振环的在谐振状态时则不是理想的振形，将会导致陀螺效应不明显。将压电电极片3分八个方位均匀布置在杯底1，相互之间由圆孔隔开，既可保证压电电极片3方位的准确性，抑制相互之间的耦合，又由于是圆孔，在杯底1不会产生明显的应力集中。

进一步，为了保证八个压电电极片3的位置，保证电极方位的准确性，同时使电极间的相互耦合作用减小，杯底1上设有用来对压电电极片3布置位置进行定位的定位装置4。该定位装置4为沿杯底1外圆周方向均匀分布的八个圆孔，压电电极片3贴附在各相邻圆孔之间。

如图3所示，为本发明的工作原理图，本发明的工作原理如下：给Y向分布的一对压电电极施加与谐振子谐振频率相同的交变电压，由于压电效应，谐振子驱动模态被激发（如图4所示的第一模态），振型为杯壁2在Y向和X向的驻波振动，其中杯壁2上a、c、e、g点为波腹点，b、d、f、h点为波节点。当陀螺沿谐振子轴向（敏感轴）顺时针转动，杯壁2上点a和点c的切线方向都将产生哥氏力，两个力的合力F2作用在点b上，方向为X’向，X’向与X方向呈45°夹角，同理，杯壁2上点e和点g的哥氏力合力F6作用在点f上。由驻波振动原理和哥氏力原理可知，点b和点f的作用力F2和F6大小相等，方向相反，且两力的频率与驱动模态的频率相等。在哥氏合力F2和F6的作用下，谐振子点b和点f沿X’向振动，点d和点h沿Y’向振动,即激发出检测模态（如图5所示的第二模态），检测模态的频率与驱动模态的频率相等，振动幅值与输入角速度成正比，相位滞后驱动模态90°。同理，陀螺逆时针转动时，检测模态仅相位与顺时针时的检测模态相位相差180°，其余相同。根据压电效应，通过分布在X’向或Y’向的压电电极，感应出谐振子在检测模态的振幅和相位，到即可解算出陀螺绕敏感轴的角速度和方向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种组合式石英杯形波动陀螺谐振子，包括杯壁（2）和杯底（1），其特征在于：所述杯壁（2）为石英材料制成的圆筒形谐振环，所述杯底（1）为金属材料制成的底座，所述杯壁（2）和杯底（1）通过装配连接，所述杯底（1）上贴附有用于激励或检测的两个以上压电电极片（3）。

2.根据权利要求1所述的组合式石英杯形波动陀螺谐振子，其特征在于：所述两个以上压电电极片（3）沿杯底（1）的外圆周方向均匀分布。

3.根据权利要求2所述的组合式石英杯形波动陀螺谐振子，其特征在于：所述杯底（1）上设有用来对压电电极片（3）布置位置进行定位的定位装置（4）。

4.根据权利要求3所述的组合式石英杯形波动陀螺谐振子，其特征在于：所述定位装置（4）为沿杯底（1）外圆周方向均匀分布的两个以上圆孔，所述压电电极片（3）贴附在各相邻圆孔之间。

5.根据权利要求2所述的组合式石英杯形波动陀螺谐振子，其特征在于：所述压电电极片（3）为长条状且沿着杯底（1）底面的径向方向呈射线状布置。

6.根据权利要求1所述的组合式石英杯形波动陀螺谐振子，其特征在于：所述压电电极片（3）为8个。

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