CN105509724B - 集成化金属振动陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种集成化金属振动陀螺仪，该陀螺仪包含：金属谐振子固定基座；金属谐振子，其通过支撑柱与金属谐振子固定基座固定；控制电路板，其与金属谐振子固定基座固定连接；缓冲电路板，采用柔性印制板，其设置于金属谐振子固定基座底面，并与控制电路板通过柔性印制线电路连接；陀螺外罩，其机械连接金属谐振子固定基座，在内部形成容置空间，金属谐振子、控制电路板设置于该容置空间中。本发明采用集成化设计，将陀螺敏感器件与控制电路直接集成在同一陀螺外罩内部，结构紧凑，大幅降低了陀螺仪体积，同时陀螺集成化设计简化了陀螺组合系统层级的安装工艺，提高了安装效率和可靠性。

Description

集成化金属振动陀螺仪
技术领域
本发明涉及惯性技术领域，具体涉及一种集成化金属振动陀螺仪。
背景技术
随着微纳卫星等微小型航天器的发展，对惯性系统的精度、体积、成本等提出了进一步的要求。金属振动陀螺是一种基于科里奥利效应的固体振动陀螺，具有结构简单、精度较高、体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优异特性，在战术武器、微纳卫星，以及工业控制等军民各领域均具有广阔的应用前景。
目前国内外研制的金属振动陀螺仪结构形式基本采用金属振动陀螺敏感器与控制电路单独研制，然后装配组合的结构形式：金属谐振子通过螺钉固定于安装底座上，谐振子底部均匀分布的八个压电电极通过焊锡手动焊接到缓冲电路焊盘上，缓冲电路板引出外接导线或排线，陀螺外罩与安装底座焊接后完成陀螺敏感器制作，外接导线或排线与控制电路部分对接完成陀螺仪制作。现有技术方案主要有以下问题或不足：
1）陀螺仪由表头敏感器与电路部分装配而成，体积较大，在组合系统安装过程中导致空间利用率低，安装操作性较差，从而导致陀螺组合系统体积大、重量大；
2）金属谐振子底面的八个压电电极焊线引出采用焊锡焊接，极易导致焊锡质量分布、焊点位置分布不均等问题，从而影响陀螺输出精度，同时电极焊线与缓冲电路板焊盘对向焊接，导致焊线较长，操作困难；
3）陀螺仪敏感器部分与控制电路部分通过导线连接，引入空间干扰相对较大。
发明内容
本发明提供一种集成化金属振动陀螺仪，有效地降低金属振动陀螺的体积，降低了工艺难度，提高了工艺可靠性和一致性，易于实现陀螺组合系统的安装。
为实现上述目的，本发明提供一种集成化金属振动陀螺仪，其特点是，该陀螺仪包含：
金属谐振子固定基座；
金属谐振子，其通过支撑柱与金属谐振子固定基座固定；
控制电路板，其与金属谐振子固定基座固定连接；
缓冲电路板，采用柔性印制板，其设置于金属谐振子固定基座底面，并与控制电路板通过柔性印制线电路连接；
陀螺外罩，其机械连接金属谐振子固定基座，在内部形成容置空间，金属谐振子、控制电路板设置于该容置空间中。
上述集成化金属振动陀螺仪的陀螺敏感器部分与控制电路部分集成设置于陀螺外罩内。
上述缓冲电路板采用柔性电路板，贴合金属谐振子固定基座设置；金属谐振子靠近金属谐振子固定基座设置。
上述金属谐振子固定基座与缓冲电路板对应金属谐振子的电极引出线处设有通孔；金属谐振子底面电极引出线通过通孔穿过缓冲电路板与金属谐振子固定基座焊接连接至缓冲电路板的焊盘。
上述金属谐振子底面均布八个压电陶瓷电极，电极引出线采用电焊机或金丝球焊机焊接连接至缓冲电路板的焊盘。
上述控制电路板根据电路功能分为结构小于控制电路板的若干子电路板，若干子电路板环绕设置于金属谐振子的侧边。
上述控制电路板分为四个子电路板，分别为信号采集电路、FPGA信号处理电路、电源电路、驱动电路。
上述子电路板之间通过柔性印制线实现电性连接，子电路板还通过柔性印制线电性连接缓冲电路板。
上述子电路板的尺寸大小与集成化金属振动陀螺仪的陀螺敏感器部分尺寸大小相对应。
上述支撑柱上设有外螺纹，通过螺母固定在金属谐振子固定基座上，金属谐振子固定基座采用硬质铝板材料。
本发明集成化金属振动陀螺仪和现有技术的陀螺仪相比，其优点在于，本发明采用集成化设计，将陀螺敏感器件与控制电路直接集成在同一陀螺外罩内部，结构紧凑，大幅降低了陀螺仪体积，同时陀螺集成化设计简化了陀螺组合系统层级的安装工艺，提高了安装效率和可靠性；
本发明谐振子固定基座和缓冲电路板中间开孔，金属谐振子底面压电电极导线穿过开孔引出到缓冲电路板的焊盘上，从而焊接方式采用点焊或金丝球焊等焊接方式，避免了电极引线与电路板对面焊接方式操作困难、间隙较大，以及采用焊锡焊接导致焊点质量、分布不均匀，从而影响陀螺精度的问题，提高了陀螺仪的精度、可靠性、一致性等指标，易于批量化制作，从而进一步降低成本，该集成化金属振动陀螺非常适用于微小型航天器等要求精度高、体积小的姿态控制系统；
本发明陀螺的控制电路板根据功能进行布局优化，由一块大型电路板拆分为四块小型电路板，小型电路板尺寸与陀螺敏感器部分尺寸相当，进一步提高了陀螺内部的空间利用率，降低了陀螺体积；
本发明陀螺的控制电路板相互间以及与缓冲电路板之间采用柔性印制线连接，与目前采用导线连接方式相比，降低了工艺难度，提高了焊线的可靠性。
附图说明
图1为本发明集成化金属振动陀螺仪的结构示意图；
图2为本发明集成化金属振动陀螺仪中控制电路板与缓冲电路板连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1所示，为一种集成化金属振动陀螺仪的实施例，该陀螺仪包含：陀螺外罩1、金属谐振子2、控制电路板3、固定立柱4、金属谐振子固定基座5、缓冲电路板6、焊线7、固定螺母8、金属谐振子支撑柱9、柔性印制线10。
金属谐振子2固定于金属谐振子支撑柱9顶部，通过金属谐振子支撑柱9与金属谐振子固定基座5固定，金属谐振子支撑柱9上设有外螺纹，通过固定螺母8固定在金属谐振子固定基座5上，金属谐振子固定基座5采用硬质铝板材料制成。
控制电路板3固定于金属谐振子固定基座5上，位于金属谐振子2外围，并与金属谐振子电路连接。本发明中，控制电路板3根据电路功能进行布局优化，分为结构小于控制电路板的四个子电路板，子电路板的尺寸大小与集成化金属振动陀螺仪的陀螺敏感器部分尺寸大小相对应。优选的，子电路板的尺寸大小等于或小于集成化金属振动陀螺仪的陀螺敏感器部分尺寸大小。
本实施例中，金属谐振子固定基座5上表面围绕金属谐振子2竖直设有四个固定立柱4，控制电路板3的四个子电路板分别固定在固定立柱4上，分别通过固定立柱4与金属谐振子固定基座5固定连接，使得该四个子电路板环绕金属谐振子2设置，并与金属谐振子固定基座5垂直设置。
缓冲电路板6设置于金属谐振子固定基座5的底面，通过焊线7与金属谐振子2电路连接，并通过柔性印制线10与控制电路板3电路连接。本发明中，缓冲电路板6采用柔性印制板，直接贴合于金属谐振子固定基座5底面；使金属谐振子2底面可尽量靠近谐振子固定基座设置，有助于直接减小陀螺高度。
金属谐振子固定基座5与缓冲电路板6对应金属谐振子2底部的电极引出线处（靠近谐振子电极引出线附近）都设有通孔，焊线7穿过该通孔，实现缓冲电路板6与金属谐振子2的电路连接，本实施例中该通孔设置于金属谐振子支撑柱9的固定螺母8侧边。金属谐振子2底面均布八个压电陶瓷电极，金属谐振子2底面电极引出线（即焊线7）通过通孔穿过金属谐振子固定基座5与缓冲电路板6，采用电焊机或金丝球焊机将引出线焊接连接至缓冲电路板的焊盘。
陀螺外罩1为圆柱形结构，内部中空且底部开口，陀螺外罩1的底部与金属谐振子固定基座5固定连接，在陀螺外罩1内部形成容置空间。金属谐振子2、控制电路板3、固定立柱4、金属谐振子支撑柱9都设置于该容置空间中。优选的，集成化金属振动陀螺仪的陀螺敏感器部分与控制电路部分集成都设置于陀螺外罩1内，有助于实现陀螺及其组合的小型化制作。
如图2所示，控制电路板分出的四个子电路板分别为：信号采集电路201、FPGA信号处理电路202、电源电路204、驱动电路203。信号采集电路201、FPGA信号处理电路202、电源电路204、驱动电路203相互之间通过柔性印制线205实现电性连接。另外，信号采集电路201与驱动电路203还通过柔性印制线205电性连接缓冲电路板206。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种集成化金属振动陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包含：
金属谐振子固定基座；
金属谐振子，其通过支撑柱与金属谐振子固定基座固定；
控制电路板，其与金属谐振子固定基座固定连接；
缓冲电路板，采用柔性印制板，其设置于金属谐振子固定基座底面，并与控制电路板通过柔性印制线电路连接；
陀螺外罩，其机械连接金属谐振子固定基座，在内部形成容置空间，金属谐振子、控制电路板设置于该容置空间中；
所述控制电路板根据电路功能分为结构小于控制电路板的若干子电路板，若干子电路板环绕设置于金属谐振子的侧边。
2.如权利要求1所述的集成化金属振动陀螺仪，其特征在于，所述缓冲电路板采用柔性电路板，贴合金属谐振子固定基座设置；金属谐振子靠近金属谐振子固定基座设置。
3.如权利要求1所述的集成化金属振动陀螺仪，其特征在于，所述金属谐振子固定基座与缓冲电路板对应金属谐振子的电极引出线处设有通孔；金属谐振子底面电极引出线通过通孔穿过缓冲电路板与金属谐振子固定基座焊接连接至缓冲电路板的焊盘。
4.如权利要求1或3所述的集成化金属振动陀螺仪，其特征在于，所述金属谐振子底面均布八个压电陶瓷电极，电极引出线采用电焊机或金丝球焊机焊接连接至缓冲电路板的焊盘。
5.如权利要求1所述的集成化金属振动陀螺仪，其特征在于，所述控制电路板分为四个子电路板，分别为信号采集电路、FPGA信号处理电路、电源电路、驱动电路。
6.如权利要求1或5所述的集成化金属振动陀螺仪，其特征在于，所述子电路板之间通过柔性印制线实现电性连接，子电路板还通过柔性印制线电性连接缓冲电路板。
7.如权利要求6所述的集成化金属振动陀螺仪，其特征在于，所述子电路板的尺寸大小与集成化金属振动陀螺仪的陀螺敏感器部分尺寸大小相对应。
8.如权利要求1所述的集成化金属振动陀螺仪，其特征在于，所述支撑柱上设有外螺纹，通过螺母固定在金属谐振子固定基座上，金属谐振子固定基座采用硬质铝板材料。
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