CN107860379A - 一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺 - Google Patents

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Abstract

一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，涉及惯性器件技术领域；包括圆柱壳谐振子、静电激励与检测一体式上罩、陀螺密封壳体、陀螺缓冲电路板、陀螺电极引出线和陀螺支撑外壁；静电激励与检测一体式上罩平行固定安装在陀螺缓冲电路板的下方；静电激励与检测一体式上罩与陀螺缓冲电路板之间通过陀螺电极引出线固定连接；圆柱壳谐振子固定安装在静电激励与检测一体式上罩的方；陀螺支撑外壁为中空圆筒结构，陀螺支撑外壁同轴套装在静电激励与检测一体式上罩下表面与圆柱壳谐振子底面上表面之间；陀螺密封壳体套装在陀螺支撑外壁的外部；本发明结构简单、振动Q值高，采用静电激励与静电检测方式，测量精度高，同时易于加工装配。

Description

一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺
技术领域
本发明涉及一种惯性器件技术领域，特别是一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺。
背景技术
陀螺仪是测量运动物体旋转角速度或角度的惯性器件，在卫星平台、战术制导武器、惯性导航、无人驾驶等领域均发挥着举足轻重的作用。随着各应用领域的技术发展，惯性测量系统对陀螺仪的精度、体积、功耗、成本等指标提出了越来越高的要求。哥氏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、惯性导航、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。
专利US4157041、US3644972、US5712427等提出了一种石英半球谐振陀螺，谐振子采用半球壳结构，由高Q值高纯熔融石英材料制作，并分别制作激励罩与检测基座，与谐振子精密装配组成半球谐振陀螺，该陀螺结构复杂、装配精度要求极高、成本高昂。
专利CN102254058A及论文《杯形波动陀螺关键技术研究》提出了一种基于压电激励与检测的钟形或圆柱壳形振动陀螺，谐振子采用底端支撑杆形式固定支撑，由金属材料制作，并于圆柱壳底端粘贴压电陶瓷片进行激励与信号检测，该金属振动陀螺Q值低，且由于压电检测精度较差，因而陀螺精度指标较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，结构简单、振动Q值高，采用静电激励与静电检测方式，测量精度高，同时易于加工装配。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，包括圆柱壳谐振子、静电激励与检测一体式上罩、陀螺密封壳体、陀螺缓冲电路板、陀螺电极引出线和陀螺支撑外壁；其中，陀螺缓冲电路板为水平圆盘结构，静电激励与检测一体式上罩平行固定安装在陀螺缓冲电路板的下方；静电激励与检测一体式上罩与陀螺缓冲电路板之间通过陀螺电极引出线固定连接；圆柱壳谐振子固定安装在静电激励与检测一体式上罩的方；陀螺支撑外壁为中空圆筒结构，陀螺支撑外壁同轴套装在静电激励与检测一体式上罩下表面与圆柱壳谐振子底面上表面之间；陀螺密封壳体套装在陀螺支撑外壁的外部。
在上述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，所述圆柱壳谐振子包括完全固支圆柱壳谐振子和圆柱壳谐振子底座；其中，圆柱壳谐振子底座为水平放置的圆盘结构；完全固支圆柱壳谐振子为中空圆柱结构，完全固支圆柱壳谐振子同心固定安装在圆柱壳谐振子底座的上表面。
在上述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，所述圆柱壳谐振子底座的圆心处设置有通孔，通孔直径为5-15mm；完全固支圆柱壳谐振子内径为20-50mm，壁厚为0.2-1.2mm。
在上述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，所述静电激励与检测一体式上罩包括激励电极板组、检测电极板组和上盖板；其中，上盖板为水平放置的圆盘结构；激励电极板组同心固定安装在上盖板的下表面；检测电极板组同心固定安装在上盖板的下表面。
在上述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，所述激励电极板组包括n个激励电极板；激励电极板为弧形板状结构，n个激励电极板等间隔环形分布形成圆形分布的激励电极板组；检测电极板组包括m个检测电极板；检测电极板为弧形板状结构，m个检测电极板等间隔环形分布形成圆形分布的检测电极板组；
当激励电极板组的直径大于检测电极板组的直径时，n为8或16或32；m为8；
当激励电极板组的直径等于检测电极板组的直径时，n个激励电极板和m个激励电极板交错分布呈圆形；其中，n＝m，n为8或16或32。
在上述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，当激励电极板组(3)的直径大于检测电极板组的直径时，相邻两个激励电极板的间距对应中心角为1°-5°；相邻两个检测电极板的间距对应中心角为1°-5°；
当激励电极板组的直径等于检测电极板组的直径时，相邻的激励电极板与检测电极板之间的间距对应中心角为1°-5°。
在上述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，所述完全固支圆柱壳谐振子设置在激励电极板组与检测电极板组之间，且完全固支圆柱壳谐振子的顶端与静电激励与检测一体式上罩的下表面间距10-100μm。
在上述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，所述圆柱壳谐振子采用高纯熔融石英、蓝宝石或恒弹合金其中的一种材料。
在上述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，所述陀螺支撑外壁的侧壁上设置有抽气孔，抽气孔为通孔结构。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明中陀螺谐振子采用底端完全固支的圆柱壳结构形式，设计去除了圆柱壳支撑杆，结构简单，工艺难度大幅降低，易于提升谐振子加工精度；谐振子由蓝宝石或高纯熔融石英高Q值材料制作，陀螺精度高；；
(2)本发明中圆柱壳谐振子采用静电激励与静电检测的方式进行模态激励与信号检测，可以实现谐振子无接触式激振与信号检测，进一步提升陀螺精度指标；
(3)本发明中陀螺激励与检测电极采用一体化制作，结构简单，降低了陀螺装配难度，提高了装配精度，有利于陀螺实现高精度、小型化技术指标。
附图说明
图1为本发明静电激励与检测圆柱壳哥氏振动陀螺结构示意图；
图2为本发明激励电极与检测电极结构示意图；
图3为本发明底端完全固支的圆柱壳谐振子结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为静电激励与检测圆柱壳哥氏振动陀螺结构示意图，由图可知，一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，包括圆柱壳谐振子1、静电激励与检测一体式上罩2、陀螺密封壳体5、陀螺缓冲电路板6、陀螺电极引出线7和陀螺支撑外壁8；其中，陀螺缓冲电路板6为水平圆盘结构，静电激励与检测一体式上罩2平行固定安装在陀螺缓冲电路板6的下方；静电激励与检测一体式上罩2与陀螺缓冲电路板6之间通过陀螺电极引出线7固定连接；圆柱壳谐振子1固定安装在静电激励与检测一体式上罩2的方；陀螺支撑外壁8为中空圆筒结构，陀螺支撑外壁8同轴套装在静电激励与检测一体式上罩2下表面与圆柱壳谐振子1底面上表面之间；陀螺密封壳体5套装在陀螺支撑外壁8的外部。圆柱壳谐振子1采用高纯熔融石英、蓝宝石或恒弹合金其中的一种材料。陀螺支撑外壁8的侧壁上设置有抽气孔，抽气孔为通孔结构。
如图3所示为底端完全固支的圆柱壳谐振子结构示意图，由图可知，圆柱壳谐振子1包括完全固支圆柱壳谐振子1-1和圆柱壳谐振子底座1-2；其中，圆柱壳谐振子底座1-2为水平放置的圆盘结构；完全固支圆柱壳谐振子1-1为中空圆柱结构，完全固支圆柱壳谐振子1-1同心固定安装在圆柱壳谐振子底座1-2的上表面。其中，圆柱壳谐振子底座1-2的圆心处设置有通孔，通孔直径为5-15mm；完全固支圆柱壳谐振子1-1内径为20-50mm，壁厚为0.2-1.2mm。
如图2所示为激励电极与检测电极结构示意图，由图可知，静电激励与检测一体式上罩2包括激励电极板组3、检测电极板组4和上盖板9；其中，上盖板9为水平放置的圆盘结构；激励电极板组3同心固定安装在上盖板9的下表面；检测电极板组4同心固定安装在上盖板9的下表面。
其中，激励电极板组3包括n个激励电极板；激励电极板为弧形板状结构，n个激励电极板等间隔环形分布形成圆形分布的激励电极板组3；检测电极板组4包括m个检测电极板；检测电极板为弧形板状结构，m个检测电极板等间隔环形分布形成圆形分布的检测电极板组4；
当激励电极板组3的直径大于检测电极板组4的直径时，n为8或16或32；m为8；且相邻两个激励电极板的间距对应中心角为1°-5°；相邻两个检测电极板的间距对应中心角为1°-5°；
当激励电极板组3的直径等于检测电极板组4的直径时，n个激励电极板和m个激励电极板交错分布呈圆形；其中，n＝m，n为8或16或32。相邻的激励电极板与检测电极板之间的间距对应中心角为1°-5°。
完全固支圆柱壳谐振子1-1设置在激励电极板组3与检测电极板组4之间，且完全固支圆柱壳谐振子1-1的顶端与静电激励与检测一体式上罩2的下表面间距10-100μm。
具体实施例一：
圆柱壳哥氏振动陀螺主要包括圆柱壳谐振子1、静电激励与检测一体式上罩2、陀螺缓冲电路板6、陀螺密封壳体5等部分组成。圆柱壳谐振子1采用圆柱壳轴对称结构，由高Q值材料制作而成。圆柱壳谐振子1包括完全固支圆柱壳谐振子1-1和圆柱壳谐振子底座1-2；完全固支圆柱壳谐振子1-1底端与圆柱壳谐振子底座1-2相连，底端完全固支，完全固支圆柱壳谐振子1-1外侧设有陀螺支撑外壁8；采用静电驱动与静电检测方式实现陀螺的激振与信号检测，静电激励与检测一体式上罩2包括激励电极板组3、检测电极板组4和上盖板9；激励电极板组3、检测电极板组4采用一体化制造，固定于上盖板9上；静电激励与检测一体式上罩2安装在陀螺支撑外壁8上，与谐振子组成陀螺主体结构，陀螺主体结构安装于陀螺密封壳体5体内实现真空封装。
圆柱壳谐振子1采用高纯熔融石英、蓝宝石、恒弹合金等高Q值材料制作而成。
激励电极板组3、检测电极板组4分布于谐振子上唇沿的两侧，激励电极板组3、检测电极板组4沿圆周方向均匀分布。
圆柱壳谐振子底座1-2、静电激励与检测一体式上罩2制作有配套的对准标记，用于两零件的精密装配。
陀螺支撑外壁8上设有通孔，用作抽气孔。
静电激励与检测一体式上罩2设有通孔用于电极信号引出。
具体实施例二：
本发明所述圆柱壳哥氏振动陀螺主要包括圆柱壳谐振子1、静电激励与检测一体式上罩2、陀螺缓冲电路板6、陀螺密封壳体5等部分组成。圆柱壳谐振子1采用圆柱壳轴对称结构，由高Q值材料制作而成，圆柱壳谐振子1底端与圆柱壳谐振子底座1-2相连，底端完全固支，基板上谐振子外侧设有陀螺支撑外壁8；采用静电驱动与静电检测方式实现陀螺的激振与信号检测，静电激励与检测一体式上罩2包括激励电极板组3、检测电极板组4和上盖板9三部分，激励电极板组3、检测电极板组4采用一体化制造，固定于上盖板9上；静电激励与检测一体式上罩2安装在陀螺支撑外壁8上，与谐振子组成陀螺主体结构，陀螺主体结构安装于陀螺密封壳体内实现真空封装；陀螺缓冲电路板安装于密封壳体上。
圆柱壳谐振子1采用高纯熔融石英、蓝宝石、恒弹合金等高Q值材料。
激励电极板组3、检测电极板组4只分布于静电激励与检测一体式上罩2的一侧，上侧或下侧均可；激励电极板组3、检测电极板组4沿圆周方向均匀分布，共同形成一个圆形结构。
圆柱壳谐振子底座1-2、静电激励与检测一体式上罩2制作有配套的对准标记，用于两零件的精密装配。
圆柱壳谐振子底座1-2、陀螺支撑外壁8上均设有通孔，用作抽气孔。
静电激励与检测一体式上罩2设有通孔用于电极信号引出。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，其特征在于：包括圆柱壳谐振子(1)、静电激励与检测一体式上罩(2)、陀螺密封壳体(5)、陀螺缓冲电路板(6)、陀螺电极引出线(7)和陀螺支撑外壁(8)；其中，陀螺缓冲电路板(6)为水平圆盘结构，静电激励与检测一体式上罩(2)平行固定安装在陀螺缓冲电路板(6)的下方；静电激励与检测一体式上罩(2)与陀螺缓冲电路板(6)之间通过陀螺电极引出线(7)固定连接；圆柱壳谐振子(1)固定安装在静电激励与检测一体式上罩(2)的方；陀螺支撑外壁(8)为中空圆筒结构，陀螺支撑外壁(8)同轴套装在静电激励与检测一体式上罩(2)下表面与圆柱壳谐振子(1)底面上表面之间；陀螺密封壳体(5)套装在陀螺支撑外壁(8)的外部。
2.根据权利要求1所述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，其特征在于：所述圆柱壳谐振子(1)包括完全固支圆柱壳谐振子(1-1)和圆柱壳谐振子底座(1-2)；其中，圆柱壳谐振子底座(1-2)为水平放置的圆盘结构；完全固支圆柱壳谐振子(1-1)为中空圆柱结构，完全固支圆柱壳谐振子(1-1)同心固定安装在圆柱壳谐振子底座(1-2)的上表面。
3.根据权利要求2所述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，其特征在于：所述圆柱壳谐振子底座(1-2)的圆心处设置有通孔，通孔直径为5-15mm；完全固支圆柱壳谐振子(1-1)内径为20-50mm，壁厚为0.2-1.2mm。
4.根据权利要求3所述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，其特征在于：所述静电激励与检测一体式上罩(2)包括激励电极板组(3)、检测电极板组(4)和上盖板(9)；其中，上盖板(9)为水平放置的圆盘结构；激励电极板组(3)同心固定安装在上盖板(9)的下表面；检测电极板组(4)同心固定安装在上盖板(9)的下表面。
5.根据权利要求4所述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，其特征在于：所述激励电极板组(3)包括n个激励电极板；激励电极板为弧形板状结构，n个激励电极板等间隔环形分布形成圆形分布的激励电极板组(3)；检测电极板组(4)包括m个检测电极板；检测电极板为弧形板状结构，m个检测电极板等间隔环形分布形成圆形分布的检测电极板组(4)；
当激励电极板组(3)的直径大于检测电极板组(4)的直径时，n为8或16或32；m为8；
当激励电极板组(3)的直径等于检测电极板组(4)的直径时，n个激励电极板和m个激励电极板交错分布呈圆形；其中，n＝m，n为8或16或32。
6.根据权利要求5所述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，其特征在于：当激励电极板组(3)的直径大于检测电极板组(4)的直径时，相邻两个激励电极板的间距对应中心角为1°-5°；相邻两个检测电极板的间距对应中心角为1°-5°；
当激励电极板组(3)的直径等于检测电极板组(4)的直径时，相邻的激励电极板与检测电极板之间的间距对应中心角为1°-5°。
7.根据权利要求6所述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，其特征在于：所述完全固支圆柱壳谐振子(1-1)设置在激励电极板组(3)与检测电极板组(4)之间，且完全固支圆柱壳谐振子(1-1)的顶端与静电激励与检测一体式上罩(2)的下表面间距10-100μm。
8.根据权利要求1所述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，其特征在于：所述圆柱壳谐振子(1)采用高纯熔融石英、蓝宝石或恒弹合金其中的一种材料。
9.根据权利要求1所述的一种静电激励与检测的圆柱壳哥氏振动陀螺，其特征在于：所述陀螺支撑外壁(8)的侧壁上设置有抽气孔，抽气孔为通孔结构。
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