CN103308041B - 一种压电式转速仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式转速仪，包括基座、转轴结构、压电振动环结构以及电刷结构，其中压电振动环结构包括外八边形内圆环的振动环，将压电陶瓷片分别贴于振动环的八个外表面上，通过施加电压信号，利用压电陶瓷的压电效应、逆压电效应与哥氏力的作用，激发出对应模态，从而最终计算出输入角速度，本发明结构简单、便于加工、成本低、输入感应信号准确、且精度灵敏度高，具有良好的研发和应用前景。

Description

一种压电式转速仪

技术领域：

本发明涉及一种压电式转速仪，其属于角度及角速度传感器领域。

背景技术：

利用压电陶瓷压电效应进行驱动，逆压电效应进行感应的压电式结构常用来实现角速度测量。由于其结构简单，没有转动部件，可靠性高于普通陀螺灵敏度高、寿命长、而且起动时间短、耗电少、廉价等优点，常用作角速度传感器，有广阔的研发和应用前景。

固体波动陀螺是压电陀螺用作角速度传感器时的常用形式，现有的固体波动陀螺谐振子均为环形对称结构，常见结构形式有环形、杯形和半球形。工作原理：通过压电方式驱动，使固体波动陀螺的环向对称谐振子激发出第一阶模态，当有轴向角速度输入时，谐振子在哥氏力的作用下产生与第一阶模态呈45度角的第二阶模态，谐振子的第二阶模态的振动通过压电感应方式输出敏感信号经过电路和软件处理即可得到输入角速度。

固体波动陀螺的谐振子对整个陀螺的精度以及灵敏度都起到了至关重要的作用，因此，谐振子的结构设计以及加工方式都尤为关键。现有的固体波动陀螺的谐振子有着一些缺陷：第一，由于谐振子的结构特点，对加工精度提出了很高的要求，加工较为困难，成本也较高；第二，由于谐振子多为环形、杯形和半球形，在其表面不能黏贴压电陶瓷，通常将陶瓷片黏贴在外部支撑结构上，不可避免的对输入信号有影响。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容：

本发明提供提出一种新型压电式转速仪，其具有结构简单、便于加工、成本低、输入感应信号准确、且精度灵敏度高的特点。

本发明采用如下技术方案：一种压电式转速仪，所述压电式转速仪包括：

基座；

转轴结构，所述转轴结构固定于所述基座上，所述转轴结构包括阶梯轴、支撑板、轴承和轴承盖，所述阶梯轴包括阶梯轴第一段、阶梯轴第二段、阶梯轴第三段及阶梯轴第四段，所述支撑板与所述基座固定连接，所述轴承通过轴承盖固定于支撑板上，所述阶梯轴第一段与阶梯轴第三段与所述轴承固定连接；

压电振动环结构，所述压电振动环结构安装于所述转轴结构上，所述压电振动环结构包括套筒以及设置于套筒内部的压电作动模块，所述套筒包括套筒本身和设置在套筒外表面的第一压紧螺钉以及压块,所述套筒设置于所述阶梯轴第二段上，所述压电作动模块包括振动环和振动环表面的压电陶瓷片，所述振动环及压电陶瓷片设置于所述套筒内部；

电刷结构，所述电刷结构固定于所述转轴结构和基座上，所述电刷结构包括铜环、塑料衬垫、铜片、端盖和接线底座，所述接线底座与基座固定连接，所述塑料衬垫套在阶梯轴第四段上，所述铜环套在塑料衬垫上，所述塑料衬垫与铜环的组合通过所述端盖压紧于阶梯轴第四段上，所述铜片与接线底座连接，所述铜片与铜环相接触。

所述振动环外部为正八边形，在正八边形的八个外表面中部分别贴有一块压电陶瓷片。

所述压电陶瓷片中每相对的两片设置为一组，连接出一根电线，同一组中的两块压电陶瓷片以反向的方式黏贴于环上，所述压电陶瓷片中轴线相互垂直的两组压电陶瓷片的黏贴方式亦相反。

所述套筒外表面为圆筒状，内部设置为可将带有压电陶瓷片的振动环嵌入的半通孔，所述套筒上镶嵌压电陶瓷片的位置设有方形区域，在所述的方形区域内设置有压块，自所述套筒方形区域内表面向外钻出螺纹孔，所述压电式转速仪还包括有自外部安装于所述螺纹孔中的通过压紧压块压紧振动环的第一压紧螺钉。

所述阶梯轴上设置有轴中心孔，所述阶梯轴第二段上设有沿径向的第一通孔，所述第一通孔用以实现从压电陶瓷片接出的线的连接，所述阶梯轴第四段上设有三个沿径向的第二通孔，所述第二通孔用以实现电线与铜环的连接。

所述塑料衬垫由两个直径不同的圆环组成，所述直径较大的圆环上沿径向打小孔用以将电线接出，所述直径较小的圆环上设置有铜环，所述直径较小的圆环的厚度小于铜环厚度。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的整体结构简单，各零件加工难度较小，连接方便；

(2)用作谐振子的外八边形内圆环的振动环结构，作为压电式转速仪运作的关键部分，需要较高的加工精度，由于其外形对称，并且外表面为平面与其外部的套筒内部基本切合，所以大大降低了加工要求，节约了制造成本；

(3)本发明的作为谐振子采用外八边形内圆环结构，压电陶瓷片直接贴在环形结构八个外表面上，避免了像传统固体波动陀螺一样通过环形结构下部的支撑梁结构传递振动，大大提高了振动幅度，机械品质因数大于传统陀螺；

(4)本发明的作为谐振子的部分仅仅是振动环结构，没有多余的材料使得系统消耗的能量与产生的噪声大幅度减小，提高了系统的信噪比；

(5)本发明采取一路电线输入信号，两路电线感应输出信号的方式，通过选定压电陶瓷片的黏贴方向来产生所需的对应模态，通过设计的电刷结构接线以避免旋转绕线的问题，从而使得系统的构造更为简单，运作更为合理；

(6)本发明压电式转速仪具有结构简单、便于加工、成本低、输入感应信号准确、且精度灵敏度高的优点。

附图说明：

图1是本发明压电式转速仪的整体结构立体图。

图2是本发明压电式转速仪沿对称面的剖视图。

图3是本发明压电式转速仪中阶梯轴的结构立体图。

图4是本发明压电式转速仪中压电作动模块结构的立体图。

图5是本发明压电式转速仪中振动环的结构示意图。

图6是本发明压电式转速仪中振动环振动时的第一模态示意图。

图7是本发明压电式转速仪中振动环振动时的第二模态示意图。

其中：

1-阶梯轴；2-轴承盖；3-第一连接螺钉；4-轴承；5-第二连接螺钉；6-套筒；7-第一压紧螺钉；8-振动环；9-支撑板；10-第三连接螺钉；11-塑料衬垫；12-铜环；13-第二压紧螺钉；14-端盖；15-铜片；16-接线底座；17-第四连接螺钉；18-基座；19-第五连接螺钉；20-压电作动模块；21-压块；22-压电陶瓷片；23-第六连接螺钉；24-方形区域；25-中通孔；26-第一通孔；27-第二通孔；28-轴中心孔；29-半通孔；a-阶梯轴第一段；b-阶梯轴第二段；c-阶梯轴第三段；d-阶梯轴第四段。

具体实施方式：

请参照图1至图5并结合图6至图7所示。本发明压电式转速仪包括基座18、转轴结构、压电振动环结构以及电刷结构。其中转轴结构固定于基座18上，压电振动环结构安装于阶梯轴1上，电刷结构固定于阶梯轴1和基座18上。转轴结构包括分为四段的阶梯轴1、支撑板9、轴承4和轴承盖2，支撑板9与基座18通过第五连接螺钉19固定连接，轴承4通过轴承盖2利用第一连接螺钉3和第三连接螺钉10固定于支撑板9上，所述阶梯轴第一段a与第三段c分别与两个轴承4固定连接。

压电振动环结构包括套筒6以及设置于套筒6内部的压电作动模块20，所述套筒6包括套筒本身和设置在套筒外表面的八个第一压紧螺钉7以及压块21，该套筒6通过第二连接螺钉5连接固定于阶梯轴第二段b的轴肩上，所述压电作动模块20包括振动环8和振动环8表面的压电陶瓷片22，该振动环8及其表面的压电陶瓷片22设置于套筒6内部。

压电作动模块20的振动环8外部为正八边形，在八个外表面中部分别贴有一块压电陶瓷片22，套筒6外表面为圆筒状，内部设置为可以恰好将带有压电陶瓷片22的振动环8嵌入的半通孔29，中心有可以安装在阶梯轴第二段b的中通孔25，该套筒6上镶嵌压电陶瓷片22的位置挖出较深的方形区域24，在所述的方形区域24内设置有压块21，在套筒方形区域24内表面向外钻出螺纹孔以从外部加入第一压紧螺钉7，通过压紧压块21的方式压紧振动环8。

电刷结构包括铜环12、塑料衬垫11、铜片15、端盖14和接线底座16，所述接线底座16与基座18通过第四连接螺钉17固定连接，所述塑料衬垫11套在阶梯轴第四段d上，所述铜环12套在塑料衬垫11上，利用端盖14将塑料衬垫11与铜环12的组合通过第二压紧螺钉13压紧于阶梯轴第四段d上，所述铜片15与接线底座16通过第六连接螺钉23连接，该铜片15与铜环12接触。

电刷结构的塑料衬垫11由两个直径不同的小圆环组成，直径较大的圆环上沿径向打小孔用以将电线接出，直径较小的圆环上设置有铜环12，该铜环外表面上有两道环形槽，较窄的一道槽用作绕线，较宽的一道槽用以与所述铜片接触，所述直径较小的圆环的厚度略小于铜环厚度，将三组塑料衬垫11与铜环12的组合利用端盖14压紧于阶梯轴第四段d上，该端盖与阶梯轴第四段d通过第二压紧螺钉13连接。三个铜环12分别套在三个塑料衬垫11上串联在阶梯轴第四段d上，铜片15与铜环12接触从而起到传输信号电压的作用。

阶梯轴1有轴中心孔28，阶梯轴第二段b轴上接近阶梯轴第三段c轴的位置有沿径向的第一通孔26，该第一通孔26用于从压电陶瓷片22接出的线的连接，阶梯轴第四段d轴上有三个沿径向的第二通孔27，该第二通孔27用于电线接到铜环12上。

八边形振动环8上的八片压电陶瓷片22，在a至f的八个外表面中部贴上压电陶瓷片，套筒6通过螺纹连接于阶梯轴，将振动环8嵌入套筒内部，在套筒6上对应于振动环8的八个外表面贴压电陶瓷片的位置从套筒外部打入第一压紧螺钉7，利用压块21将振动环8压紧。每相对的两片设置为一组，连接出一根电线，同一组中的两块压电陶瓷片以反向的方式黏贴于环上，压电陶瓷片中轴线相互垂直的两组压电陶瓷片的黏贴方式也相反，其中两组压电陶瓷片的中轴线相互垂直的设置为一组，记为第1组，连接出一根电线，另两组分别记为第2组和第3组。第1、2、3组压电陶瓷片接出的电线通过轴中心孔28走线分别连接到三个铜环上；所述的第1组电线连接的铜环接触的铜片对应的接线柱接入电压信号，所述的第2、3组电线连接的铜环接触的铜片对应的接线柱分别连接到两个示波器。

本发明的工作原理为：对黏贴在如图5所示的振动环a、c、e、g四个面上的压电陶瓷片施加以交流电压，由于逆压电效应激励环形结构振动，激励出如图6的第一模态；当有轴向角速度输入时，该振动环在哥氏力作用下可以产生如图7所示的第二模态，此时黏贴在振动环b、d、f、h四个表面上的压电陶瓷片由于压电效应的作用，会产生电信号，通过一定的手段检测该电信号再经过处理即可得到输入的角速度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种压电式转速仪，其特征在于：所述压电式转速仪包括：

基座；

转轴结构，所述转轴结构固定于所述基座上，所述转轴结构包括阶梯轴、支撑板、轴承和轴承盖，所述阶梯轴包括阶梯轴第一段、阶梯轴第二段、阶梯轴第三段及阶梯轴第四段，所述支撑板与所述基座固定连接，所述轴承通过轴承盖固定于支撑板上，所述阶梯轴第一段与阶梯轴第三段与所述轴承固定连接；

压电振动环结构，所述压电振动环结构安装于所述转轴结构上，所述压电振动环结构包括套筒以及设置于套筒内部的压电作动模块，所述套筒包括套筒本身和设置在套筒外表面的第一压紧螺钉以及压块,所述套筒设置于所述阶梯轴第二段上，所述压电作动模块包括振动环和振动环表面的压电陶瓷片，所述振动环及压电陶瓷片设置于所述套筒内部；

电刷结构，所述电刷结构固定于所述转轴结构和基座上，所述电刷结构包括铜环、塑料衬垫、铜片、端盖和接线底座，所述接线底座与基座固定连接，所述塑料衬垫套在阶梯轴第四段上，所述铜环套在塑料衬垫上，所述塑料衬垫与铜环的组合通过所述端盖压紧于阶梯轴第四段上，所述铜片与接线底座连接，所述铜片与铜环相接触。

2.如权利要求1所述的压电式转速仪，其特征在于：所述振动环外部为正八边形，在正八边形的八个外表面中部分别贴有一块压电陶瓷片。

3.如权利要求2所述的压电式转速仪，其特征在于：所述压电陶瓷片中每相对的两片设置为一组，连接出一根电线，同一组中的两块压电陶瓷片以反向的方式黏贴于环上，所述压电陶瓷片中轴线相互垂直的两组压电陶瓷片的黏贴方式亦相反。

4.如权利要求3所述的压电式转速仪，其特征在于：所述套筒外表面为圆筒状，内部设置为可将带有压电陶瓷片的振动环嵌入的半通孔，所述套筒上镶嵌压电陶瓷片的位置设有方形区域，在所述的方形区域内设置有压块，自所述套筒方形区域内表面向外钻出螺纹孔，所述压电式转速仪还包括有自外部安装于所述螺纹孔中的通过压紧压块压紧振动环的第一压紧螺钉。

5.如权利要求4所述的压电式转速仪，其特征在于：所述阶梯轴上设置有轴中心孔，所述阶梯轴第二段上设有沿径向的第一通孔，所述第一通孔用以实现从压电陶瓷片接出的线的连接，所述阶梯轴第四段上设有三个沿径向的第二通孔，所述第二通孔用以实现电线与铜环的连接。

6.如权利要求5所述的压电式转速仪，其特征在于：所述塑料衬垫由两个直径不同的圆环组成，所述直径较大的圆环上沿径向打小孔用以将电线接出，所述直径较小的圆环上设置有铜环，所述直径较小的圆环的厚度小于铜环厚度。