CN105547271B - 基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺 - Google Patents

基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及振动陀螺领域，尤其涉及一种基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜驱动检测的振动陀螺。本发明由一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜组成，所述一体式圆柱壳体石英谐振子由高纯度石英材料一体化加工而成，包括谐振环、导振环、底盘、固定柱，四者共轴放置，从下而上依次为谐振环、导振环和底盘，固定柱位于底盘靠近导振环一侧的中心。本发明的基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜驱动检测的圆柱壳体振动陀螺具有精度高、加工成本低、灵敏度高、漂移误差小、功耗低等显著优点。

Description

基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺
技术领域
本发明涉及振动陀螺领域，尤其涉及一种基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜驱动检测的振动陀螺。
背景技术
陀螺是一种检测惯性空间中物体角运动的传感器，是惯性导航、制导与姿态控制的关键器件。圆柱壳体振动陀螺基于哥氏原理敏感角速度，是一种有别于传统的机械转子陀螺的无转子陀螺，通过利用谐振子振动时产生的驻波进动代替了转子的高速转动，从而避免了机械摩擦，从根本上减小了漂移误差。圆柱壳体振动陀螺具有精度高、寿命长、可靠性好、体积小、重量轻、功耗低等优点，在惯性技术领域尤其是空间导航领域受到高度重视，具有广泛的应用前景。
圆柱壳体振动陀螺的谐振子敏感角速度的原理为：以一定方式驱动圆柱壳体振动于n＝2本征模态(n表示振动模态的环向阶数)，模态驻波振型如图1所示。其中11为圆柱壳体初始未变形状态，驻波12为振动主模态，其在圆周分布有四个波腹与四个波节，波腹连线方向为振动主轴方向。绕圆柱壳体轴向的角速度将使圆柱壳体受到哥氏力的作用，使驻波位置相对壳体移动；如果角速度Ω由图1所示方向为顺时针，则由角速度引起的哥氏力将激发出由图1中模态13所示45°方向的n＝2正交模态，其振动幅度可反映角速度。
圆柱壳体振动陀螺的工作方式一般为：在圆柱壳体谐振子底面或侧面粘贴压电电极，在谐振子底面或侧面相对的压电驱动电极施加交流电压，压电驱动电极在逆压电效应作用下振动并激发谐振子振动于图1所示的模态12。轴向角速度输入使谐振子产生模态13，其振动通过与驱动电极夹角45°的压电检测电极检测，压电检测电极由于压电效应产生的敏感信号经过电路和软件处理即可得到输入角速度。
圆柱壳体谐振子的品质因数是指谐振子储存的总能量与谐振子振动一个周期耗散的能量之比。圆柱壳体谐振子的品质因数越高，相应的振动陀螺的角速度检测灵敏度越好。另外，圆柱壳体谐振子的品质因数越高，维持谐振子振动所需的能量越小，系统功耗越小。实际中，由于加工工艺问题，圆柱壳体谐振陀螺一般采用压电材料或合金材料制作，材料内部损耗较大，因此品质因数普遍较低。采用压电陶瓷制作的圆柱壳体谐振子品质因数一般不超过103，例如美国Watson公司的压电陶瓷圆柱陀螺[参考文献1：Watson W S,HenkeT J.Coriolis gyro configuration effects on noise and drift performance[C]//SYMPOSIUM GYRO TECHNOLOGY.2002:1.1-1.1.]。而采用合金材料制作的圆柱壳体谐振子品质因数也被限制在104量级，例如英国GEC-Marconi公司的START圆柱陀螺[GB 2061502]美国Innalab公司的合金材料圆柱壳体陀螺[专利US 7281425B2]。另外，圆柱壳体振动陀螺一般采用压电陶瓷片驱动和检测，压电陶瓷片较厚，其机械品质因数很低(一般小于103)，将导致谐振子整体的品质因数降低；而且压电陶瓷片采用环氧胶粘或其他某种方式粘贴于谐振环或底盘上[参考文献2：Anders J T.START vibrating gyroscope[C]//MeasurementUsing Resonant Sensing,IEE Colloquium on.IET,1993:4/1-4/8.][参考文献3：Chikovani V V,Yatsenko Y A,Barabashov A S,et al.Improved accuracy metallicresonator CVG[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine,IEEE,2009,24(5):40-43.]，粘胶材料将导致谐振子品质因数进一步降低，而且胶层也会对陀螺激励和检测带来不利影响。
另外，圆柱壳体谐振子的质量、刚度及阻尼的各向异性直接影响陀螺的漂移误差。合金材料及压电材料内部各向异性明显，由它们制作的圆柱壳体谐振子用于哥氏陀螺时频率裂解较大，因而漂移误差较大。压电陶瓷粘贴过程中定位精度难以保证，位置重复性较差；粘胶溢出也可能导致谐振子整体质量、刚度分布不均匀，影响陀螺的质心及振动主轴位置，引入额外的漂移误差。这些因素直接限制了陀螺的漂移性能。另外，圆柱壳体谐振子质量、刚度及阻尼的各向异性直接影响陀螺的漂移误差。合金材料及压电材料内部各向异性明显，由它们制作的圆柱壳体谐振子用于哥氏陀螺时频率裂解较大，因而漂移误差较大。压电陶瓷粘贴过程中定位精度难以保证，位置重复性较差；粘胶溢出也可能导致谐振子整体质量、刚度分布不均匀，影响陀螺的质心及振动主轴位置，引入额外的漂移误差。这些因素直接限制了陀螺的漂移性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：改善现有圆柱壳体振动陀螺的谐振子品质因数普遍较低的问题，以及现有胶粘的压电陶瓷片驱动检测方案进一步降低振动陀螺检测灵敏度、增大漂移误差的问题，提出一种基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜驱动检测的圆柱壳体振动陀螺。
本发明采用的技术方案为：一种基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，由一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜组成，所述一体式圆柱壳体石英谐振子由高纯度石英材料一体化加工而成，包括谐振环、导振环、底盘、固定柱，四者共轴放置，从下而上依次为谐振环、导振环和底盘，固定柱位于底盘靠近导振环一侧的中心；所述谐振环和导振环均为空心圆柱壳体，谐振环的外径为R1，内径为r1，高度为H1，导振环的外径为R2，内径为r2，高度为H2，满足R1>R2，r1＝r2，H1>H2；谐振环和导振环的这种设计可以提高谐振子的品质因数，从而提高振动陀螺的检测灵敏度、减小漂移误差，同时还能减小对导振环的加工精度要求，降低加工成本。所述固定柱为中心开孔的圆柱体，高度为H3，外径为R3，内径为r3，在固定柱外壁采用铟封或胶粘的方式使谐振子整体固定于外部基座上；所述底盘为厚度为H4的圆盘，外径R4，内径为r4，其中R4＝R2，r4＝r3，底盘厚度H4通常采用有限元软件通过仿真确定，一般来说，H4越小，底盘对振动就越敏感，圆柱壳体振动陀螺的检测灵敏度就越高；距离底盘中心半径为R5的圆周处，以圆周所在位置为圆心均匀开有2N个半径为r的底盘孔，满足(R3+r/2)<R5<(R4-r/2)，1≤N≤8；所述压电薄膜为镀制于底盘上的2N条长度为L，宽度为W，厚度为H的长方体薄膜，位于2N个底盘孔之间，长度方向沿径向排列，满足L<(r1-R3)，宽度W和厚度H按振动陀螺所需检测灵敏度择优选取，将所述2N条压电薄膜分为两组，一组为驱动电极，用于激励圆柱壳体谐振子振动于n＝2本征模态，另一组为检测电极，用于检测由输入角速度导致的45°方向的n＝2正交模态。
上述介绍圆柱壳体谐振子的过程中将其分为四个组成部分进行介绍只是为了方便描述谐振子的组成，在实际加工中，谐振子的四个组成部分为一体加工而成，这样可以提高由谐振环和导振环组成的圆柱壳体与固定柱、底盘之间的同心度，从而减小圆柱壳体振动陀螺的漂移误差。
所述底盘孔可以为圆形、椭圆形、扇形，其形状影响陀螺的灵敏度、信噪比与带宽，实际实施中应考虑加工难易程度和所需工作性能折衷选择。
所述底盘孔从加工角度考虑优选为圆形。
所述底盘孔个数优选为八个。
所述压电薄膜可以是任何具有压电效应的薄膜材料，如锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、铁酸铋(BFO)薄膜，优选为PZT薄膜。
所述压电薄膜也可以镀制于谐振环或导振环外壁，沿所述谐振环或导振环的外壁圆周方向均匀排列，长度方向沿谐振环或导振环的轴线方向。
所述压电薄膜的镀制方法可以是溶胶-凝胶法、磁控溅射法、真空蒸镀法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法等适宜的薄膜镀制方法。
所述压电薄膜长度L和宽度W的选取优选为尽可能覆盖所述底盘可利用的面积，这样可以增大驱动力与提高检测灵敏度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明的圆柱壳体振动陀螺的石英谐振子采用高纯度熔融石英材料加工制作，谐振子为一体式石英结构，其品质因数相比传统圆柱壳体谐振子更高，基于此种谐振子的圆柱壳体振动陀螺的角速度检测灵敏度更高、漂移误差更小、功耗更小；
2.本发明的圆柱壳体振动陀螺的石英谐振子采用内部固定结构，使谐振子可以一次装夹加工成型，提高了谐振子的同心度水平，降低了谐振子的各向异性，基于此种谐振子得到圆柱壳体振动陀螺的漂移误差更小；
3.本发明的圆柱壳体振动陀螺的石英谐振子采用压电薄膜驱动方案，压电陶瓷薄膜很薄，而且被直接镀制到底面上，避免了传统技术方案中粘接用胶和压电陶瓷片的使用，可以最大程度地避免谐振子品质因数的降低；相对于传统技术方案，采用光刻和镀膜等微技术后，压电薄膜镀制的定位精度高，极大地降低了因驱动、检测电极的粘贴带来的漂移误差。
综上，本发明的基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜驱动检测的圆柱壳体振动陀螺具有精度高、加工成本低、灵敏度高、漂移误差小、功耗低等显著优点。
附图说明
图1是圆柱壳体陀螺谐振子的工作原理示意图；
图2(a)是本发明实施例中的圆柱壳体陀螺石英谐振子及压电薄膜驱动方案的整体结构示意图；(b)是其局部剖视图；
图3是本发明实施例中的圆柱壳体陀螺石英谐振子及压电薄膜驱动方案的沿轴向的剖视图；
图4是本发明实施例中的压电薄膜电极分布示意图；
图5是本发明实施例中压电薄膜电极膜层结构示意图；
图6是本发明实施例中的圆柱壳体振动陀螺的有限元仿真的第一模态示意图；
图7是本发明实施例中的圆柱壳体振动陀螺的有限元仿真的第二模态示意图。
图例说明：
图1中，11、未变形圆柱壳体，12、激励模态，13、检测模态
图2中，1、谐振环，2、导振环，3、固定柱，4、底盘，5、底盘孔，6、压电薄膜电极
图3中，R1为谐振环的外径，r1为谐振环的内径，H1谐振环的为高度；R2为导振环的外径，r2为导振环的内径，H2导振环的为高度，其中R1>R2，r1＝r2，H1>H2；R3为固定柱的外径，r3为固定柱的内径，H3为固定柱的高度；R4为底盘外径，r4为底盘内径，H4为底盘厚度，其中R4＝R2，r4＝r3；R5为底盘孔距离底盘中心的距离；r为底盘孔的半径。
图4中，21、驱动电极，22、驱动电极，23、检测电极，24、检测电极
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本实施例的圆柱壳体振动陀螺的谐振子使用具有高纯度的熔融石英材料制作，材料内部损耗极小并具有极好的各向同性，因而可保证谐振子的高品质因数与物理对称性，从而保证圆柱壳体振动陀螺的高灵敏度、高信噪比、低漂移误差和低功耗特性。如图2、图3所示，本实施例的圆柱壳体陀螺包括谐振环1、导振环2、固定柱3,、底盘4、压电薄膜电极6，底盘4上开有8个底盘孔5。
谐振环1和导振环2均为圆柱壳体，谐振环1的外径R1＝12.8mm，内径r1＝12.2mm，高度H1＝10mm，导振环2的外径R2＝12.5mm，内径r2＝12.2mm，高度H2＝8mm；通过采用谐振环高度H1大于导振环高度H2，谐振环厚度(R1-r1)大于导振环厚度(R2-r2)的设计可以提高圆柱壳体振动陀螺的检测灵敏度，同时降低对导振环的加工精度要求，从而降低加工成本；固定柱3位于底盘4靠近导振环2一侧的中心，在固定柱3外壁采用铟封或胶粘的方式使谐振子整体固定于外部基座上，固定柱高度H3＝6mm，外径R3＝3mm，内径r3＝1.5mm；底盘外径R4＝12.5mm，内径r4＝1.5mm，厚度H4＝0.5mm；距离底盘中心半径R5＝7.5mm的圆周处，以圆周所在位置为圆心均匀开有8个半径r＝2.75mm的底盘孔5。
在底盘孔5之间的区域对称镀制8条压电薄膜电极6。理论上，任何可以镀制的压电薄膜材料均可以用作本发明的电极材料。本实施例中采用多晶PZT薄膜作为电极材料，该材料具有较高的能量密度，较高的压电系数和较好的介电性能，并且制作工艺简单成熟。另外，压电薄膜电极面积越大，检测灵敏度越高，然而引入的损耗更大。因此实际实施过程中应根据所需的工作性能合理选择压电薄膜镀制面积。本实施例中压电薄膜中心距离底盘圆心7.5mm，PZT电极厚度H＝2um，长度L＝8mm，宽度W＝1mm。
本实施例中压电薄膜电极6的膜层分布示意图如图5所示。其中Ti膜层厚度50nm，与谐振子底盘4接触，用于增加电极与谐振子间的附着力。Pt膜层一厚度200nm，PZT薄膜厚度2μm，Pt膜层二厚度200nm，Pt膜层一和Pt膜层二均用作电极材料，通过该膜层输入交流驱动电压，或输出敏感电压信号。本实施例中，PZT薄膜采用溶胶-凝胶法镀制，将制备好的PZT前驱液采用甩胶方法旋涂于Pt膜层上，并进行烘烤和退火。Ti膜和Pt膜采用工艺成熟的磁控溅射法镀制。
图4是本发明实施例中的压电薄膜电极分布示意图，本实施例的八个压电薄膜电极6分为两组激励电极61(用于激励谐振子振动于第一模态)、62(用于谐振子的误差控制)和两组检测电极63(用于检测谐振子的第一模态振动)、64(用于检测谐振子因角速度产生的第二模态振动)，每组压电薄膜电极均两两相对。
但本发明中基于一体式圆柱壳体石英谐振子及压电薄膜的振动陀螺并不限于以上的具体形状和尺寸，谐振子的形状、尺寸因振动陀螺精度要求的不同而不同，通常尺寸较小的谐振子对应的振动陀螺的精度也较小。
本发明的圆柱壳体振动陀螺的工作过程为：
首先对第一模态驱动压电薄膜电极组61施加交流电压，由于逆压电效应，压电薄膜产生振动，使底盘4产生弯曲振动并通过导振环2传递到谐振环1，激励出如图1所示谐振子振动的第一模态A，由压电薄膜电极组63检测，模态方向与驱动电极组61方向一致；
当谐振环1感应到轴向输入的角速度Ω时，在哥氏力作用下谐振环1产生如图1所示的第二模态B，谐振环1产生的振动通过导振环2传导到压电薄膜检测电极64上，由压电效应产生敏感信号，经过电路和算法处理，得出的信号作为补偿信号通过第二模态驱动压电薄膜电极组62施加于谐振子上，用于抑制第二模态B的振动；由于抑制振动所需的电压幅值与角速度Ω成正比，因此将该信号输出可得到角速度。
通过有限元仿真分析模拟本实施例的一体式圆柱壳体石英谐振子的n＝2本征模态，结果如图6、图7所示。有限元仿真给出本实施例的一体式圆柱壳体石英谐振子的本征频率为3108.8Hz，高于一般环境噪声频率。通过有限元仿真得出的模态频率可作为本发明所述圆柱壳体振动陀螺外部控制电路开发的参考。
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。

Claims (9)

1.一种基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，由一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜组成，其特征在于：所述一体式圆柱壳体石英谐振子由高纯度石英材料一体化加工而成，包括谐振环(1)、导振环(2)、底盘(3)、固定柱(4)，四者共轴放置，从下而上依次为谐振环(1)、导振环(2)和底盘(3)，固定柱(4)位于底盘(3)靠近导振环(2)一侧的中心；所述谐振环(1)和导振环(2)均为空心圆柱壳体，谐振环(1)的外径为R1，内径为r1，高度为H1，导振环(2)的外径为R2，内径为r2，高度为H2，满足R1>R2，r1＝r2，H1>H2；所述固定柱(4)为中心开孔的圆柱体，高度为H3，外径为R3，内径为r3，在固定柱(4)外壁采用铟封或胶粘的方式使谐振子整体固定于外部基座上；所述底盘(3)为厚度为H4的圆盘，外径R4，内径为r4，其中R4＝R2，r4＝r3，底盘(3)厚度H4采用有限元软件通过仿真确定，H4越小，底盘对振动就越敏感，圆柱壳体振动陀螺的检测灵敏度就越高；距离底盘(3)中心半径为R5的圆周处，以圆周所在位置为圆心均匀开有2N个半径为r的底盘孔(5)，满足(R3+r/2)<R5<(R4-r/2)，1≤N≤8；所述压电薄膜(6)为镀制于底盘(3)上的2N条长度为L，宽度为W，厚度为H的长方体薄膜，位于2N个底盘孔(5)之间，长度方向沿径向排列，满足L<(r1-R3)，宽度W和厚度H按振动陀螺所需检测灵敏度择优选取，将所述2N条压电薄膜分为两组，一组为驱动电极，用于激励圆柱壳体谐振子振动于n＝2本征模态，另一组为检测电极，用于检测由输入角速度导致的45°方向的n＝2正交模态。
2.根据权利要求1所述基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，其特征在于：所述底盘孔(5)为圆形、椭圆形、扇形，其形状影响陀螺的灵敏度、信噪比与带宽，实际实施中应考虑加工难易程度和所需工作性能折衷选择。
3.根据权利要求2所述基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，其特征在于：所述底盘孔(5)从加工角度考虑优选为圆形。
4.根据权利要求1所述基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，其特征在于：所述底盘孔(5)个数优选为八个。
5.根据权利要求1所述基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，其特征在于：所述压电薄膜(6)可以是任何具有压电效应的薄膜材料。
6.根据权利要求1所述基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，其特征在于：所述压电薄膜(6)优选为PZT薄膜。
7.根据权利要求1所述基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，其特征在于：所述压电薄膜(6)可以镀制于谐振环(1)或导振环(2)外壁，沿所述谐振环(1)或导振环(2)的外壁圆周方向均匀排列，长度方向沿谐振环(1)或导振环(2)的轴线方向。
8.根据权利要求1所述基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，其特征在于：所述压电薄膜(6)的镀制方法为溶胶-凝胶法、磁控溅射法、真空蒸镀法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法。
9.根据权利要求1所述基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，其特征在于：所述压电薄膜(6)长度L和宽度W的选取优选为尽可能覆盖所述底盘(3)可利用的面积。
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