CN105277184B - 多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子 - Google Patents

Abstract

一种多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，包括多层式谐振环、具有位移放大效应的支撑结构和安装座，所述多层式谐振环为圆柱体形，所述支撑结构为空心圆柱体形，所述支撑结构的上端固定在多层式谐振环底部端面的中部，所述支撑结构的底端内壁的中心位置设置有安装座，安装座为空心圆柱体结构，多层式谐振环、支撑结构和安装座的中心轴线重合；支撑结构的底端外壁上贴有多个均布的压电电极，多个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布，所述多层式谐振环包括多个同轴空心柱体，多个同轴空心柱体的底部均固定连接在多层式谐振环的底部端面的内壁上。本发明是具有三维多层结构的圆柱壳体振动陀螺谐振子，实现谐振子的机械灵敏度的提升。

Description

多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子

技术领域

本发明涉及一种圆柱壳体振动陀螺，尤其涉及一种具有三维多层结构的圆柱壳体振动陀螺。

背景技术

圆柱壳体振动陀螺是固体波动陀螺的一种，利用圆柱壳体结构中弹性波的惯性效应实现角速动测量。圆柱壳体振动陀螺具有固体波动陀螺特有的精度高、能耗小、准备时间短、工作温度范围大、抗电离辐射能力强、抗冲击振动好、使用寿命长等优点，还具有易于机械加工的优势，发展和应用前景极为广阔。

圆柱壳体振动陀螺的工作原理为：当压电电极的驱动频率与谐振子的二阶模态固有工作频率一致时，驻波振动被激发。圆柱壳体振动陀螺谐振子的工作模态对，分别称之为驱动模态和检测模态，互成45°夹角。当没有角速度输入时，谐振子只在驱动模态工作，在驻波节点的位置输出为零。当具有角速度输入时，谐振子的质量单元在哥氏力的作用下，沿45°方向的检测模态被激发。检测模态驻波的幅值与角速度的大小呈正比关系，由电路解调得到输入角速度。

在圆柱壳体振动陀螺的制造过程中，谐振子的结构形式直接影响了陀螺的精度与灵敏度。而现有的圆柱壳体振动陀螺结构形式，均为单层结构。微机电盘形陀螺具有多层结构，但其为平面二维结构。因此有必要对三维的圆柱壳体振动陀螺进行结构上的改进，进一步提升圆柱壳体振动陀螺谐振子振幅大、振动质量大的优势。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，其具有三维多层结构，实现了谐振子的机械灵敏度的提升。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，包括多层式谐振环、具有位移放大效应的支撑结构和安装座，所述多层式谐振环为圆柱体形，所述支撑结构为空心圆柱体形，所述支撑结构的上端固定在多层式谐振环底部端面的中部，所述支撑结构的底端内壁的中心位置设置有安装座，安装座为空心圆柱体结构，多层式谐振环、支撑结构和安装座的中心轴线重合；支撑结构的底端外壁上贴有多个均布的压电电极，多个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布，所述多层式谐振环包括多个同轴空心柱体，多个同轴空心柱体的底部均固定连接在多层式谐振环的底部端面的内壁上。

进一步地，所述多层式谐振环包括2个以上同轴空心柱体。

进一步地，位于最外层的同轴空心柱体为圆柱体形。

进一步地，位于最外层以内的同轴空心柱体为圆柱体形或者其他轴对称的异形结构。

进一步地，支撑结构的底端外壁上贴有8个或16个均布的压电电极，8个或16个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布。

进一步地，多层式谐振环的底部端面上贴有8个或16个均布的压电电极，8个或16个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布。

进一步地，支撑结构与多层式谐振环是一体加工成型的。

本发明在尺寸上(半径约10mm)介于微机电陀螺与石英半球谐振陀螺之间，通过多层环式与三维壳体相结合的方式实现良好的结构灵敏性；同时采用高弹性金属作为基体材料，能够通过常规的机械方式加工，在成本方面也具有一定优势。

本发明提出的多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，主要从以下几个方面实现了结构灵敏度的提高：

第一，采用多层式壳体结构，能够大幅度增加振动质量和振动能量密度，同时避免总材料内耗的增加。一般来说，增大敏感振动质量是降低机械噪声、提高谐振结构灵敏度的重要途径，但是敏感质量的增大也伴随着几何尺寸的增加。对于单层的环形谐振结构，如果仅仅为了增加振动质量使环的厚度过大，会使谐振环在远离中间面的材料层发生剧烈的拉伸或压缩，引起过大的无用内力矩(图4(a))，大幅度增加材料的阻尼损耗，导致机械品质因数下降，无法发挥振动质量大的优势。因此，将结构上的厚环离散成多个分离的谐振环(图4(b))，既增大了有效振动质量，又降低了材料的阻尼损耗。

第二，将传统2维的多层式结构拓展为3维的多层式壳体结构，实现振动位移放大。以往基于微机电工艺的多层式圆柱形振动陀螺也曾出现过，但是灵敏度却不理想，原因就在于其支撑结构没有很好地被设计，结构的机械品质因数受到限制。本发明提出的谐振结构利用压电电极在底部进行激励，通过“L形”支撑结构的位移放大效应使谐振结构在谐振环处的振幅得到大幅度增加(图4(c))，从而进一步增加谐振结构的机械灵敏度，提高检测信号信噪比。

此外，多层式的结构还对能够对制造误差进行平均，在一定程度上降低了对谐振结构制造精度的要求。采用金属材料制造的多层式壳体振动陀螺还具备工作温度范围大、启动时间短、对冲击过载不敏感等突出特点。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图一，

图2为本发明实施例1的结构示意图二；

图3为本发明的驱动与检测原理示意图；

图4为本发明能够提供灵敏度的原理示意图；

图5为本发明的衍生结构的示意图；

图6为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

参照图1和2，为本发明实施例1的结构示意图，本发明一种多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，包括多层式谐振环1、具有位移放大效应的支撑结构2和安装座3，所述多层式谐振环1为圆柱体形，所述支撑结构2为空心圆柱体形，所述支撑结构2的上端固定在多层式谐振环底部端面的中部，所述支撑结构2的底端内壁的中心位置设置有安装座3，安装座3为空心圆柱体结构，多层式谐振环1、支撑结构2和安装座3的中心轴线重合；支撑结构2的底端外壁上贴有8个均布的压电电极4，起到激励和检测振动的作用。8个压电电极4围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布，所述多层式谐振环1包括4个同轴空心圆柱体，4个同轴空心圆柱体的底部均固定连接在多层式谐振环的底部端面的内壁上。

本发明多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子的工作原理是基于弹性驻波振动的哥氏效应，如图3所示，陀螺工作时，驱动位置的质量单元沿驱动力方向作恒幅振动，当有角速度输入时，驱动质量单元所受的哥氏力合力指向45°方向，激发出检测驻波模态。此时检测位置的输出信号正比于输入角速度大小，于是通过对信号解调处理就可以得到输入角速度。

在多层式谐振环的底部也可贴有均布的压电电极，实现辅助驱动/检测/振动调节作用。参照图6，为本发明实施例2的结构示意图，多层式谐振环1的底部端面上贴有8个均布的压电电极4，8个压电电极4围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布。

出于加工可行性考虑，传统的谐振子结构多为标准的圆形壳体。但随着现代加工能力的不断提升，通过制造异形结构使陀螺性能参数进一步优化变得可行。比如周期性的解耦结构提高结构振动模态的自稳定性，质量集中结构使陀螺的灵敏性增强，这些衍生结构如图5所示。

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。应该指出，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的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：包括多层式谐振环、具有位移放大效应的支撑结构和安装座，所述多层式谐振环为圆柱体形，所述支撑结构为空心圆柱体形，所述支撑结构的上端固定在多层式谐振环底部端面的中部，所述支撑结构的底端内壁的中心位置设置有安装座，安装座为空心圆柱体结构，多层式谐振环、支撑结构和安装座的中心轴线重合；支撑结构的底端外壁上贴有多个均布的压电电极，多个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布，所述多层式谐振环包括多个同轴空心柱体，多个同轴空心柱体的底部均固定连接在多层式谐振环的底部端面的内壁上，多层式谐振环的底部端面上贴有8个或16个均布的压电电极，8个或16个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布。

2.根据权利要求1所述的所述多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：多层式谐振环包括2个以上同轴空心柱体。

3.根据权利要求2所述的所述多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：位于最外层的同轴空心柱体为圆柱体形。

4.根据权利要求3所述的所述多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：位于最外层以内的同轴空心柱体为圆柱体形或者轴对称的异形结构。

5.根据权利要求1所述的所述多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：支撑结构的底端外壁上贴有8个或16个均布的压电电极，8个或16个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布。

6.根据上述任一权利要求所述的所述多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，其特征在于：支撑结构与多层式谐振环是一体加工成型的。